用于解释碳化硅（SiC）纤维蠕变和恢复行为的高温粘弹性机制

《Materials & Design》：High-temperature viscoelastic mechanism for SiC fibers to elucidate creep and recovery behaviors

3D打印固体环氧树脂图案以改善预浸料的室温成型能力和气体逸出，弯曲由图案元素边长控制，剪切由覆盖率影响，揭示结构-成型性关系。

　　这项研究提出了一种创新的策略，旨在克服传统固态树脂预浸料（SRPs）在常温下无法弯曲以及在真空袋单体（VBO）加工过程中气体排出受限的问题。通过使用3D打印技术，在干燥的织物上形成一个未固化的固态环氧树脂（SR）的图案，使得SRPs在常温下具备弯曲能力，并且在VBO过程中可以更有效地进行气体排出。这种设计方法不仅保留了干燥织物区域，还使得整体材料在弯曲时具有更好的适应性。通过调整图案的参数，如元素的几何形状和覆盖范围，可以实现对弯曲和剪切行为的独立控制，从而满足特定的弯曲条件需求。这一发现为开发适用于无 autoclave 复合材料制造的 SRPs 提供了理论依据和技术支持。

### 研究背景

纤维增强聚合物复合材料（FRPC）在轻量化结构应用中具有重要地位，尤其是在航空航天、交通运输和可再生能源等领域。目前，制造大型 FRPC 结构通常采用液态热固性预浸料，这类材料在真空袋单体（VBO）工艺中需要冷冻存储，这不仅增加了成本，也带来了材料老化和气泡形成的潜在风险。气泡通常来源于未排出的气体或因材料老化导致的树脂粘度增加，这些缺陷会显著影响最终产品的机械性能。

为了解决这些问题，研究人员开发了半浸渍织物，即所谓的半预浸料（semipregs）。这类材料在织物表面完全浸渍，但在厚度方向仅部分浸渍，从而增加了气体排出路径，提高材料的透气性。例如，Hexcel Corporation 的“HexPly SuperFIT”、Solvay 的“Carboform”和Gurrit 的“SPRINT”都是此类半预浸料的代表。然而，这些材料仍然需要冷冻存储，并且对材料老化较为敏感。

### 固态树脂的优势

与液态树脂相比，固态树脂（SR）具有更长的储存寿命和可重复的液化和固化能力。SR 在常温下保持固态，但可以在加热条件下实现浸渍，同时在固化过程中产生的热量较低，降低了大结构中热失控的风险。然而，SR 的固态和脆性特性使得其在常温下难以进行弯曲操作，这限制了其在复杂曲面成型中的应用。为了实现常温下的弯曲，需要对材料进行特殊设计。

### 研究方法

本研究通过3D打印技术，在织物上形成特定图案的固态树脂层，以实现对弯曲和剪切行为的控制。研究采用了两种平衡编织织物：一种是玻璃纤维（GF）织物 HexForce 01,102 100 TF970，另一种是碳纤维（CF）织物 G-Weave。这些织物的面积重量、线密度和纱线规格不同，以比较不同材料在不同图案设计下的表现。

通过调整图案的参数，如元素的几何形状和覆盖范围，研究人员能够控制 SRPs 的弯曲行为。在弯曲测试中，发现弯曲半径主要受图案元素在弯曲方向上的长度影响，而覆盖范围对弯曲行为影响较小。另一方面，在剪切测试中，覆盖范围对剪切行为的影响更为显著，而图案元素的大小则影响较小。最大可实现的剪切角度为30°，这表明通过调整图案设计可以实现对剪切行为的控制。

### 研究结果

研究结果显示，SRPs 的弯曲行为可以通过调整图案元素在弯曲方向上的长度来实现，而覆盖范围则对弯曲行为影响较小。这意味着，通过控制图案元素的长度，可以实现特定的最小弯曲半径。例如，当图案元素的长度较小时，可以实现较小的弯曲半径，而较大的元素长度则限制了弯曲能力。

在剪切行为方面，覆盖范围对剪切性能的影响更为显著。当覆盖范围较小时，材料在剪切过程中可以实现较大的剪切角度，而较大的覆盖范围则限制了剪切角度的增加。这表明，通过调整覆盖范围，可以实现对剪切行为的控制。在剪切过程中，当剪切角度达到约30°时，图案元素开始断裂并从织物上脱落，这可能导致材料在剪切区域出现褶皱和纤维偏移。

### 研究意义

本研究的结果表明，通过调整图案设计，可以实现对 SRPs 弯曲和剪切行为的独立控制。这不仅为无 autoclave 复合材料制造提供了新的可能性，也为干织物或预成型体的局部弯曲控制提供了理论支持。例如，在某些区域需要减少剪切，而在其他区域需要增加剪切时，可以通过调整图案的覆盖范围来实现。这种方法能够有效减少缺陷的形成，提高复合材料的机械性能。

此外，研究还探讨了如何将剪切行为引导至非关键区域，同时保持弯曲性能。通过使用高覆盖范围的图案设计，可以将剪切引导至未图案化的区域，从而实现更均匀的纤维取向。这种方法在实际应用中具有重要意义，因为它允许设计师根据具体的成型需求，灵活调整材料的性能。

### 未来展望

本研究的成果不仅适用于当前的材料，还可以推广到其他纤维增强材料。尽管图案设计会降低材料的可弯曲性，但其仍然是实现特定成型性能的重要手段。通过进一步研究，可以探索不同材料和工艺参数对 SRPs 性能的影响，从而优化图案设计，提高成型效率和产品质量。

总的来说，这项研究为固态树脂预浸料的设计和应用提供了新的思路和技术支持，有助于推动复合材料制造技术的发展，特别是在轻量化和环保方面。通过合理设计图案，可以实现更高效的成型过程，减少材料浪费和加工成本，提高产品的整体性能。