石墨烯纳米片表面薄膜共固化增强3D玻璃纤维增强复合材料的低速冲击损伤防护性能研究

针对传统2D纤维增强复合材料在低速冲击(LVI)下易发生分层损伤的问题，研究人员通过创新性共固化工艺将石墨烯纳米片(GNP)表面薄膜嵌入3D玻璃纤维增强聚合物(GFRP)复合材料。研究发现2 wt% GNP-GFRP复合材料展现出最优异的冲击损伤容限，其层间剪切强度(ILSS)提升10%，为航空航天领域抗损伤结构设计提供了新思路。

　　

在航空航天领域，纤维增强复合材料因其优异的比强度和刚度被广泛应用于机身、机翼等关键部件。然而传统二维(2D)编织增强复合材料存在固有缺陷——在遭受跑道碎片撞击或工具掉落等低速冲击(Low-Velocity Impact, LVI)事件时，极易产生肉眼难辨的隐性损伤(Barely Visible Impact Damage, BVID)，导致结构强度和刚度骤降50%以上。尽管三维(3D)正交编织技术通过Z向纱线提升了层间性能，但如何进一步提升其抗冲击性能仍是亟待解决的难题。

针对这一挑战，某大学研究团队在《Polymer Testing》发表创新性研究，首次采用共固化(co-curing)工艺将石墨烯纳米片(Graphene Nanoplatelet, GNP)表面薄膜与3D玻璃纤维增强聚合物(Glass Fiber Reinforced Polymer, GFRP)复合层压板集成。通过系统比较1 wt%、2 wt%和5 wt%三种GNP含量复合材料的性能，发现2 wt% GNP改性样品展现出最优异的综合性能：在50J冲击能量下能有效抑制纤维断裂，冲击后弯曲强度(Flexure After Impact, FAI)仅下降25.8%，层间剪切强度(Interlaminar Shear Strength, ILSS)较纯GFRP提升10%。

研究采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)技术制备样品，关键实验包括：使用Instron CEAST 9350进行ASTM D7136标准低速冲击测试；通过三点弯曲试验评估冲击后残余强度；采用短梁剪切试验测定ILSS；结合扫描电镜(SEM)和拉曼光谱分析微观结构。

3.1 孔隙可视化
光学显微镜显示2 wt%和5 wt%样品仅存在微米级孔隙，而1 wt%样品出现宏观孔隙，表明GNP含量影响界面质量。

3.2 SEM分析
SEM观察到2 wt%样品表面呈现有序GNP堆叠结构(图6f)，这种特殊排列能有效偏转裂纹路径；而5 wt%样品则出现纳米片团聚现象。

3.4 低速冲击性能
在20J冲击能量下，2 wt%样品表现出最高峰值接触力(5.8kN)和最低能量吸收(13.5J)，表明其最优异的能量耗散能力。当冲击能量升至50J时，仅2 wt%样品保持完整层压板结构，其他组均出现完全穿透。

3.5 冲击后弯曲性能
2 wt%样品在30J冲击后弯曲强度仅下降17.8%，显著优于5 wt%样品(下降47%)。SEM显示其界面失效模式从纤维断裂转变为薄膜分层，证实GNP薄膜有效分担载荷。

3.7 短梁剪切测试
2 wt%样品ILSS达23.8MPa，比纯GFRP提升10%。但5 wt%样品因薄膜过硬导致界面完全失效，ILSS骤降至10MPa，揭示GNP含量与界面强度的非线性关系。

该研究创新性地证明：通过优化GNP含量(2 wt%)制备的共固化表面薄膜，可同步提升3D-GFRP复合材料的抗冲击性能和损伤容限。其机制在于：有序堆叠的GNP既能通过裂纹偏转耗散冲击能量，又通过增强界面粘附促进应力传递。这一发现为开发新一代航空抗冲击结构提供了重要理论依据和技术途径，特别是适用于发动机风扇叶片等关键部件。未来研究可进一步探索GNP薄膜的多功能性，如导电、抗雷击等特性集成。