不锈钢丝网上交替编织碳/玻璃纤维的混杂复合材料力学性能研究及其抗分层机制

为解决纤维增强聚合物(FRP)复合材料因分层导致结构完整性下降的问题，Venkat Ramanan A团队创新性地采用手工编织技术将碳纤维(CF)/玻璃纤维(GF)交替编织于不锈钢丝网(SSWM)上，制备出CWC、CWAC、GWG、GWAG四种混杂复合材料。研究显示交替编织的CWAC复合材料拉伸强度达265.02 MPa，冲击强度提升47.39%，弯曲强度达385.04 MPa，XRD和FESEM分析证实该结构能有效抑制分层。该研究为航空航天等领域高性能复合材料开发提供了新思路。

　　

在现代工程领域，纤维增强聚合物(FRP)复合材料因其优异的强度重量比被广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。然而这些材料存在一个致命弱点——层间分层(delamination)，就像书本页面的脱胶，会显著降低结构的整体性和使用寿命。传统解决方案如金属网增强虽能提升力学性能，却难以解决纤维与金属界面结合不良的问题。面对这一挑战，研究人员将目光投向了一种创新性的编织工艺。

发表在《Results in Engineering》的这项研究开创性地采用手工编织技术，将碳纤维和玻璃纤维像织布一样交替编织在不锈钢丝网(SSWM)上，形成独特的"纤维-金属网-纤维"三明治结构。研究团队制备了四种复合材料：纯碳纤维编织(CWC)、碳/玻纤维交替编织(CWAC)、纯玻璃纤维编织(GWG)以及玻璃/碳纤维交替编织(GWAG)的SSWM增强复合材料。通过系统比较发现，交替编织的结构不仅能像钢筋加固混凝土那样提升强度，更通过纤维与金属网的机械互锁有效抑制了分层现象。

研究采用的关键技术包括：手工铺层法制备3mm厚复合材料层板，通过万能试验机(UTM)进行ASTM D3039标准拉伸测试和ASTM D790三点弯曲测试，300J摆锤冲击试验机评估冲击强度，并运用场发射扫描电镜(FESEM)和X射线衍射(XRD)分析材料微观结构和晶体特征。

【拉伸性能】
交替编织的CWAC复合材料展现出265.02 MPa的优异拉伸强度，比传统CWC结构提升10.39%。载荷-位移曲线显示，CWAC能承受19.5 kN峰值载荷，其断裂方式呈现典型的脆性断裂特征。相比之下，GWAG复合材料在达到相近载荷时表现出更好的延展性，说明玻璃纤维的加入改善了材料韧性。

【冲击性能】
在抵抗突然冲击方面，CWAC表现尤为突出，冲击强度达11.5 J，比传统结构提高47.39%。FESEM图像显示，不锈钢丝网像安全网一样阻止了复合材料的完全断裂，而交替编织的纤维则通过均匀分散冲击能量有效抑制了裂纹扩展。

【弯曲性能】
三点弯曲测试中，CWAC以385.04 MPa的弯曲强度刷新纪录，比Sadoun等报道的玻璃纤维层压板强度高出51.97%。载荷-位移曲线表明，交替编织的复合材料在破坏前能承受更大变形，GWAG的弯曲强度也比传统GWG提高34%。

【硬度与微观结构】
显微硬度测试显示CWC复合材料硬度最高(37 VHN)，而交替编织结构的硬度在31-32 VHN之间。FESEM分析揭示了关键失效机制：在拉伸测试中，垂直载荷导致纤维断裂；冲击测试则呈现纤维拔出和金属网韧性断裂的混合模式。XRD分析发现，碳纤维在25.47°的特征峰与玻璃纤维18.07°的漫反射峰形成互补，证实了两种纤维在晶体结构上的协同效应。

这项研究的突破性在于：首次通过实验证明交替编织工艺能有效解决FRP复合材料的分层难题。CWAC复合材料265.02 MPa的拉伸强度和385.04 MPa的弯曲强度，比传统结构提高27.96%和51.97%，其11.5 J的冲击能量吸收能力更是达到文献报道值的2倍。微观分析揭示，不锈钢丝网与交替排列的碳/玻纤维形成三维互锁结构，既保留了碳纤维的高强度，又结合了玻璃纤维的韧性，同时金属网像"骨架"一样抑制了裂纹扩展。

该研究为开发新一代抗冲击、抗分层复合材料提供了明确的技术路线，特别是在飞机机身等对重量和强度都有严苛要求的领域展现出巨大应用潜力。未来研究可拓展至其他金属网(如铝、铜)与天然纤维的复合体系，进一步丰富工程复合材料的选择。正如作者指出，这种创新编织工艺不仅提升了性能，更通过简单的制造方法实现了规模化生产的可能性，为复合材料从实验室走向工业化应用架起了桥梁。