夹层结构表皮/芯层断裂韧性研究：不同实验配置的对比分析与优化

推荐：本研究针对热塑性夹层结构表皮/芯层剥离失效问题，通过对比单悬臂梁（SCB）三种配置（刚性基底、柔性长加载杆、水平滑动约束）的Mode I断裂韧性测试，发现滑动约束配置最适合不同表皮厚度的断裂评估，揭示了表皮厚度对断裂路径和韧性的显著影响，为夹层结构界面优化设计提供实验依据。

　　

热塑性夹层结构因其优异的强度重量比、可回收性和阻尼性能，广泛应用于航空航天、汽车和体育器材领域。然而，表皮与芯层的剥离失效（debonding）会严重削弱应力传递，成为制约其性能的关键瓶颈。传统热固性夹层结构虽具有高刚度，但存在生产成本高、损伤容限低等问题，而全热塑性单聚合物（如聚丙烯PP）夹层结构通过表皮/芯层熔融粘结可显著提升成型效率和回收性。然而，如何准确评估其界面断裂韧性仍是未解难题——现有测试方法如双悬臂梁（DCB）易引入混合模式（Mixed Mode）断裂，而单悬臂梁（SCB）的不同配置对测试结果的影响尚未系统研究。

针对这一挑战，研究人员在《Polymer Testing》发表论文，首次系统比较了三种SCB配置（刚性基底固定、柔性长加载杆、水平滑动约束）对E玻璃纤维/PP（Twintex?）表皮与PP泡沫芯层夹层结构Mode I断裂韧性的影响，并分析了表皮厚度（1.2 mm、3 mm、5.4 mm）的关键作用。研究采用非等温一步压缩成型工艺制备样本，通过改进梁理论（MBT）计算断裂能（G_Icp），结合数字显微镜观察断裂形貌。

2. 实验方法
通过非等温压缩成型同步实现Twintex?织物固结与PP泡沫芯层粘结，制备不同表皮厚度的夹层板。采用三种SCB配置（刚性基底、560 mm柔性加载杆、滑动约束基底）进行Mode I断裂测试，记录载荷-位移曲线并通过立方根合规性（C^1/3）与裂纹长度关系计算G_Icp。

3.1 测试配置对断裂韧性的影响
滑动约束配置在1.2 mm薄表皮中表现出纯Mode I断裂（G_Icp=2552±230 J/m²），裂纹沿致密化泡沫层扩展；而柔性长杆因加载角度偏移导致混合模式，韧性降低32%。对于厚表皮（5.4 mm/3 mm），滑动约束与柔性长杆结果相近，因材料模量差异促使裂纹深入泡沫芯层。刚性基底则因剪切应力导致混合模式，断裂韧性最低。

3.2 断裂表面形貌
所有配置下裂纹均在PP泡沫芯层内扩展（非界面），证实一步成型工艺实现强界面融合。厚表皮样本断裂面附着大量泡沫细胞，而滑动约束下的薄表皮断裂更接近界面，呈现致密化层特征。

3.3 表皮厚度的关键作用
5.4 mm厚表皮因高弯曲刚度产生线性弹性响应，但模量失配导致裂纹深入芯层，G_Icp最高（较1.2 mm高64.8%）。薄表皮（1.2 mm）的非线性行为使其更接近90°剥离测试条件，需采用修正公式计算断裂能。

结论与意义
该研究明确了滑动约束SCB是评估不同表皮厚度夹层结构Mode I断裂韧性的最优方案，尤其适用于薄表皮；而柔性长杆可作为厚表皮的简化替代方案。研究首次揭示表皮厚度通过调节模量失配程度，主导裂纹路径选择（芯层vs界面），为夹层结构设计提供关键参数。创新性提出对薄表皮非线性格局采用剥离测试公式修正，弥补了传统线性断裂力学的局限。成果对航空航天轻量化材料、新能源汽车防撞结构的界面优化具有重要指导价值。