三维整体编织间隔复合材料低速冲击损伤与剩余弯曲性能的各向异性研究

本研究针对3D集成编织间隔复合材料在低速冲击下的损伤演化及冲击后弯曲性能开展系统实验。采用ASTM D7136和D7264标准，通过落锤冲击和四点弯曲测试，结合超声C扫描成像，揭示了材料在经向(X型)和纬向(Y型)取向下的各向异性行为。结果表明X型试样具有更高的冲击阻抗和剩余强度，为航天、航空等轻量化耐损伤结构设计提供了重要依据。

　　

复合材料在航空航天、船舶和汽车工业中的应用日益广泛，因其高比强度和可设计性受到青睐。然而，传统层合板和夹层结构在受到低速冲击时容易发生内部损伤（如分层、基体开裂），这些损伤往往从表面难以察觉，却会导致结构承载能力显著下降，弯曲强度甚至可能降至原来的40%以下。因此，研究复合材料的冲击损伤容限和剩余性能，对于提高结构安全性和可靠性具有重要现实意义。

三维整体编织间隔复合材料（3D integrated woven spacer composites）作为一种新型夹层结构材料，其特点是通过整体编织工艺将上下面层与芯层连接成一个整体，避免了传统胶接夹层结构的分层问题。该类材料具有更高的结构完整性、更好的能量吸收特性以及更优的损伤阻抗，尤其在多冲击载荷环境下表现出良好的疲劳性能。然而，目前关于其在冲击后的弯曲性能，特别是沿不同材料主轴方向（经向与纬向）的性能差异，仍缺乏系统研究。

为此，来自南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室的Mahim Masfikun Hannan、蔡登安和王新伟等在《Journal of Polymer Materials》上发表论文，系统研究了三维整体编织间隔复合材料在2 J、3 J、5 J和7 J能量下的低速冲击响应及冲击后的弯曲性能，重点分析了经向（X型）和纬向（Y型）两种加载方向下的性能差异，并通过超声C扫描揭示了损伤模式。

研究人员采用真空辅助树脂灌注成型工艺制备试样，使用Instron Ceast 9350落锤冲击试验机按照ASTM D7136进行低速冲击试验，利用超声C扫描对损伤进行成像分析，最后依据ASTM D7264标准进行四点弯曲试验以评价剩余弯曲性能。试样由南京玻璃纤维研究设计院提供，采用CCF300碳纤维和E51环氧树脂体系。

3.1. 不同能量下的低速冲击试验

结果表明，随着冲击能量从2 J增至7 J，试样吸收能量从1.97 J升至6.98 J，损伤面积从121 mm2扩大至361 mm2。X型试样在所有能量水平下均表现出更高的峰值载荷（如7 J时889.60 N vs Y型725.90 N）和更小的损伤面积，说明其抗冲击性能优于Y型。超声C扫描显示，X型损伤更局部化，而Y型损伤区域更广，且伴随更明显的基体开裂和纤维断裂。

3.2. 不同能量冲击下的损伤机制

在2 J冲击下，损伤仅限于上面板表面基体开裂；3 J冲击导致上面板纤维断裂；5 J和7 J冲击下，上面板被完全击穿，芯层严重压溃，下面板出现交叉形裂纹。损伤形态从局部扩展至整体，且Y型试样在同等能量下损伤更严重。

3.3. 冲击后剩余弯曲性能

四点弯曲试验表明，经向（X型）试样在所有冲击能量下均具有更高的破坏载荷和最大位移。例如，在7 J冲击后，X型试样破坏载荷为404 N，位移10.92 mm，而Y型仅为253 N和10.29 mm。随着冲击能量增加，剩余弯曲强度下降，但X型试样因具有更均匀的芯层连接和应力分布，其性能衰减较缓。

3.4. 弯曲试样的破坏机制

非冲击试样在弯曲中表现出较高的刚度与强度，而受冲击试样则随冲击能量增加出现上面板压溃、芯层剪切破坏和纤维─基体脱粘。Y型试样因芯层呈周期性排列，更易发生局部屈曲和应力集中，从而导致提前破坏。

该研究系统揭示三维整体编织间隔复合材料在冲击与弯曲载荷下的各向异性行为，明确了经向（X型）结构在抗冲击和剩余弯曲方面优于纬向（Y型）。其整体编织结构和芯层纤维的连续分布有效抑制了损伤扩展，表现出优异的损伤容限。本研究为该类材料在轻量化、高可靠结构中的应用提供了实验依据和设计指导，尤其适用于航天飞行器、新能源汽车等需承受冲击和疲劳的场合。

未来研究可进一步增加样本数量、结合CT扫描量化芯层纱线倾角，并探索多层、多构型芯层设计，以进一步提升复合材料在复杂载荷下的性能。