《Next Nanotechnology》：Effect of hygrothermal aging on the dynamic characteristics and low-velocity impact response of graphene oxide-modified carbon/flax intra-ply hybrid composites
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本研究探讨了湿热老化对氧化石墨烯（GO）改性碳/亚麻层内混杂复合材料（CFRIHC）动态特性及低速冲击（LVI）响应的影响。研究人员采用真空辅助树脂传递模塑（VARIM）工艺，使用0.25 wt% GO增强环氧树脂制备层合板，并在70 ± 1 °C蒸馏水中老化
本研究探讨了湿热老化对氧化石墨烯（GO）改性碳/亚麻层内混杂复合材料（CFRIHC）动态特性及低速冲击（LVI）响应的影响。研究人员采用真空辅助树脂传递模塑（VARIM）工艺，使用0.25 wt% GO增强环氧树脂制备层合板，并在70 ± 1 °C蒸馏水中老化至60天。开展了落锤冲击试验（最高130 J）、夹持-自由（C–F）与自由-自由（F–F）条件下的模态分析以及冲击后扫描电子显微镜（SEM）断口分析。未老化层合板表现出约120 J的穿透阈值。长时间湿热老化使峰值冲击力从约13,000 N降至11,000–11,500 N，失效模式从弹性回弹（速度-1.63 m/s）转变为50天时的完全贯穿（+4.7 m/s）以及60天时的冲击头嵌入（吸收能量127.1 J，增加7.71%）。模态分析显示，60天后一阶固有频率单调下降，C–F条件下下降33.33%（33–22 Hz），F–F条件下下降21.2%（198–156 Hz），表明结构刚度退化，这与水分引起的塑化和渐进界面弱化一致。相反，两种边界条件下的阻尼比均增加约9%。此外，老化使接触时间延长至12.98 ms（+49.02%），回弹能从8.37 J降至0.008 J，并诱发广泛的界面脱粘、束间空腔和纤维拔出，SEM结果证实了这些现象。
随着现代工程对高性能轻质材料的需求日益增长，纤维增强聚合物（FRP）复合材料因其高比强度和高比刚度而得到广泛应用。碳纤维提供优异刚性，但能耗高且不可降解；亚麻纤维可再生、低密度且具有良好阻尼性能，但亲水性强，与疏水树脂基体界面相容性差。将碳纤维和亚麻纤维交织制成层内混杂复合材料，可综合两者优点。然而，天然纤维的吸湿特性导致该类材料在湿热环境下容易发生界面退化，严重制约其长期服役可靠性。为改善界面性能，研究人员引入氧化石墨烯（GO）纳米填料，利用其高比表面积和含氧官能团增强纤维-基体界面结合。尽管前期研究已涉及碳/亚麻混杂或湿热老化，但GO改性碳/亚麻层内混杂复合材料（CFRIHC）在长期湿热环境下的动态特性与低速冲击（LVI）响应尚缺乏系统研究。为此，本研究旨在探讨湿热老化对GO改性CFRIHC动态行为、LVI响应及微观失效机制的影响，为其在潮湿高温环境下的工程应用提供依据。
研究人员采用真空辅助树脂传递模塑（VARIM）工艺，以0.25 wt% GO改性环氧树脂为基体，制备了碳/亚麻层内混杂复合材料层合板。将层合板在70 ± 1 °C蒸馏水中加速老化，时长分别为10、20、30、40、50和60天。随后进行了落锤冲击试验（最高130 J）、夹持-自由（C–F）与自由-自由（F–F）两种边界条件下的模态分析以及冲击后SEM断口分析。模态参数通过频率响应函数提取，阻尼比采用半功率带宽法计算。每组条件测试至少5个试样以保证统计可靠性。该研究通过系统对比不同老化时间的性能变化，建立了从微观损伤到宏观动态特性的关联。
主要研究结果如下：未老化CFRIHC的穿透阈值能量约为120 J，低于该能量时层合板发生弹性回弹，高于该能量时出现完全穿孔。随着老化时间延长，峰值冲击力从约13,000 N降至11,000–11,500 N，接触力-时间曲线的载荷下降变陡、振荡加剧，表明基体塑化和界面退化。吸收能量-时间曲线显示，老化30–50天后最终吸收能降至80–95 J，而60天时持续上升至约127 J并出现平台，无回弹现象，表明冲击头嵌入层合板。力-挠度回线从未老化的封闭弹性回线转变为老化后的开放大变形曲线，50天和60天试样的最大变形超过22–30 mm，反映不可恢复贯穿损伤。挠度-时间曲线同样证实，未老化试样在峰值后回弹，老化20–50天试样连续变形无回弹，60天试样出现约24.5 mm的稳定平台。速度-时间曲线表明，未老化试样回弹速度约-1.63 m/s，老化20–50天试样出口速度为正（2.5–4.7 m/s），60天时速度趋近于0 m/s（嵌入）。关键参数对比显示，接触持续时间先减小后急剧增加，50天时为4.80 ms，60天时增至12.98 ms（+49.02%）；吸收能量先降至82.09 J（50天）再升至127.1 J（60天）；回弹能从8.37 J近乎降至0.008 J。这些非单调变化与失效模式从弹性回弹到贯穿再到嵌入的转变密切相关。模态分析表明，60天后C–F条件下固有频率从33 Hz降至22 Hz（-33.33%），F–F条件下从198 Hz降至156 Hz（-21.2%），阻尼比分别增加9.0%（1.51→1.66）和9.2%（0.119→0.130）。固有频率下降证实了湿热引起的刚度退化，阻尼比上升则反映了基体塑化、界面摩擦增加及亚麻纤维黏弹性滞后。SEM断口观察显示，老化试样中出现大面积的纤维拔出、束间空腔、基体碎裂和界面脱粘，直接证实了水分侵入亲水性亚麻纤维导致界面粘附退化。
讨论部分指出，水分子扩散破坏环氧网络中的氢键，降低基体刚性；亚麻纤维吸湿膨胀产生局部剪切应力，促进界面微裂纹萌生和扩展。尽管早期老化阶段70 °C暴露可能引起残余后固化效应使刚度暂时提升，但长期饱和后严重塑化和界面失效占据主导。本研究为纳米增强天然/合成混杂复合材料在湿热环境下的安全设计提供了关键经验阈值和退化机制认识。结论强调，层内碳/亚麻混杂与GO改性可有效平衡刚度、阻尼与吸能性能，但长期湿热暴露不可避免地通过亲水亚麻降解降低界面完整性和承载能力。未来研究可探索环保型表面功能化、疏水涂层以及多轴疲劳-冲击耦合行为，以进一步延长此类材料在潮湿环境中的使用寿命。
