《International Journal of Polymer Science》：Influence of Resin Content on the Low-Velocity Impact Response and Compression-After-Impact Performance of Carbon Fiber/Epoxy Laminates
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冲击后压缩（CAI）测试是评估碳纤维增强聚合物（CFRP）结构损伤容限的关键方法。然而，当前研究主要集中在层间改性、多尺度结构设计及树脂基体改性方面，而CFRP层合板固有结构参数对CAI性能的影响尚未得到充分阐明。为解决上述问题，本研究探讨了树脂含量对CFRP
冲击后压缩（CAI）测试是评估碳纤维增强聚合物（CFRP）结构损伤容限的关键方法。然而，当前研究主要集中在层间改性、多尺度结构设计及树脂基体改性方面，而CFRP层合板固有结构参数对CAI性能的影响尚未得到充分阐明。为解决上述问题，本研究探讨了树脂含量对CFRP层合板低速冲击响应及CAI性能的影响。采用热熔预浸工艺制备了三种不同树脂含量的碳纤维/环氧（CF/EP）预浸料。经热压成型后，进行了多个冲击能量水平下的低速冲击试验及随后的压缩试验。利用超景深光学显微镜和超声水浸C扫描成像技术表征了冲击后层合板的表面及内部损伤形貌。结果表明，在相同冲击能量下，树脂含量为30%的层合板展现出最优的峰值载荷、吸能能力和冲击后残余压缩强度。在30 J冲击能量下，该层合板的CAI强度达到175.02 MPa，相较于树脂含量为25%和37%的层合板分别提高了22.7%和8.02%。总体而言，当前结果表明，在本试验条件下，中等树脂含量能在抗冲击性能和冲击后残余性能之间提供更有利的平衡；该研究为理解树脂含量在CFRP层合板损伤容限中的作用提供了对比实验数据，填补了现有数据库中关于层合板纤维体积分数与CAI强度关联性的空白。
论文解读文章
一、研究背景与问题提出
碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料因其轻质高强、耐腐蚀及可设计性强等优点，广泛应用于航空航天、船舶及汽车工业的结构部件。然而，在实际服役环境中，CFRP结构常遭受低速冲击事件，如跑道碎片撞击或维修工具掉落。这些冲击可能导致基体开裂、层间分层及纤维断裂等内部损伤，这类损伤通常外部不可见，却会显著降低结构的残余强度，严重威胁材料完整性。因此，冲击后压缩（CAI）测试成为评估复合材料结构损伤容限的关键方法。当前提升CAI性能的研究多集中于层间增韧改性、多尺度结构设计及树脂基体增韧等“加法策略”，而对于CFRP层合板固有结构参数——特别是树脂含量及与之相关的纤维体积分数——对CAI行为的影响，尚缺乏系统性的实验认识。尽管数值模拟研究表明层合板构型（如铺层方向）对冲击响应有显著影响，但纤维体积分数作为最基础的参数之一，其对低速冲击及后续压缩耦合响应的作用机制仍不清晰。例如，增加纤维体积分数是否能持续改善冲击损伤容限，抑或存在一个最优的纤维/基体比例以平衡承载能力与损伤抑制能力，这一问题尚未解决，限制了将组分比例作为损伤容限设计变量的合理应用。
二、研究内容与结论
为填补这一空白，研究人员制备了三种不同树脂质量分数（25%、30%和37%）的碳纤维/环氧（CF/EP）单向预浸料，对应纤维体积分数分别为67%、60%和53%，记为RC-25、RC-30和RC-37。通过热压成型制成厚度约5 mm的准各向同性层合板，并在10、20、30和40 J四个能量水平下进行落锤低速冲击试验及后续的CAI测试。研究得出以下核心结论：（1）在所有冲击能量下，RC-30层合板均表现出最高的峰值载荷、最大的临界损伤阈值载荷以及最小的C扫描损伤面积，显示出最优的抗冲击性能；（2）在30 J冲击能量下，RC-30的CAI强度达到175.02 MPa，比RC-25（142.65 MPa）和RC-37（162.02 MPa）分别高出22.7%和8.02%；（3）随着冲击能量升高，所有层合板的CAI强度均下降，但RC-30始终维持最高值。研究表明，纤维体积分数对冲击损伤容限的影响呈非单调关系，中等树脂含量（约60%纤维体积分数）提供了承载能力与损伤抑制之间的最佳平衡。这一发现具有重要意义：它表明单纯提高纤维体积分数并不一定能带来更好的冲击后性能，为工程实践中通过调控预浸料树脂含量来优化层合板损伤容限提供了直接的实验依据。
三、关键技术方法
研究人员采用了以下关键技术方法：（1）通过热熔预浸工艺制备三种不同树脂含量的单向CF/EP预浸料；（2）采用热压成型工艺按[45°/0°/-45°/90°]ns铺层顺序制造层合板；（3）依据ASTM-D7136标准，使用落锤冲击试验机在10、20、30、40 J能量下进行低速冲击测试；（4）依据ASTM-D7137M标准，使用万能试验机以1 mm/min位移加载速率进行冲击后压缩测试；（5）采用超景深光学显微镜观察冲击后截面形貌；（6）采用超声水浸C扫描成像定量表征内部损伤区域。
四、研究结果
3.1 低速冲击响应
3.1.1 载荷-时间响应分析： 通过分析载荷-时间曲线，研究人员将冲击过程分为四个阶段。研究发现，在所有能量水平下，RC-30的峰值载荷（FP）均高于RC-25和RC-37。在30 J时，RC-30的极限载荷较RC-25和RC-37分别提升了20.56%和9.3%。此外，RC-25和RC-37在20 J时就出现了明显的纤维断裂特征点（PS），而RC-30在30 J时才出现，表明RC-30具有更高的抗损伤起始能力。
3.1.2 载荷-位移响应分析： 载荷-位移曲线显示，RC-30在相同冲击能量下呈现出“高载荷、低位移”的特征，即承受更高载荷的同时变形更小。在20 J时，RC-30的峰值载荷比RC-25和RC-37分别高4.8%和2.1%，而最大位移则分别减少5.9%和3.5%，表明其中等树脂含量带来了更稳定的结构响应。
3.1.3 能量-时间响应分析： 能量-时间曲线表明，RC-30在所有冲击能量下均具有最高的能量吸收率。在20 J时，RC-25的能量吸收率为42.4%，而RC-30和RC-37分别比RC-25提高了6.25%和5.6%。
3.2 冲击损伤形貌及超声C扫描分析： 表面形貌观察发现，在10 J低能量下，RC-25即出现十字形裂纹和明显纤维断裂，而RC-30仅出现表面凹痕。超声C扫描定量结果显示，RC-30的损伤面积最小，在40 J冲击下其损伤面积比RC-25减少了约57.8%。RC-30的损伤边界清晰规则，呈现椭圆形，表明损伤演化受控；而RC-25和RC-37的损伤边缘弥散、不规则，表现为快速扩展的分层破坏。
3.3 CAI极限载荷： 压缩试验结果表明，在所有四个冲击能量水平下，RC-30的极限压缩载荷和CAI强度均最高。在30 J冲击能量下，RC-30的极限压缩载荷为85.76 kN，比RC-25（69.90 kN）和RC-37（79.39 kN）分别高出22.69%和8.10%；其CAI强度为175.02 MPa，分别比RC-25（142.65 MPa）和RC-37（162.02 MPa）高22.7%和8.02%。值得注意的是，在高能量冲击下，RC-30与RC-37之间的差异缩小，表明严重内部损伤的主导作用逐渐掩盖了初始组分差异的影响。
五、总结与结论
研究人员在讨论中指出，冲击引起的分层降低了局部子层合板的有效弯曲刚度，使损伤区域在后续压缩过程中更易发生面外屈曲，进而加速分层扩展和承载力丧失。超声C扫描结果一致地证实了这一点：分层越严重的层合板，其残余压缩强度越低。研究结论明确指出：在所研究的范围内，当纤维体积分数维持在约60%（RC-30体系）时，层合板展现出最优的冲击后残余压缩强度。偏离此范围，无论是更高还是更低的纤维体积分数，都会导致CAI强度下降。对于高纤维体积分数（RC-25），基体比例不足限制了基体介导的能量耗散，增加了冲击引起的界面和分层损伤敏感性；对于低纤维体积分数（RC-37），纤维增强作用的减弱直接降低了固有的承载贡献。本研究是一项基于有限数据的初步比较研究，未来需通过重复试验和统计分析来提高趋势的定量可靠性，且结论仅适用于所测试的单向CF/EP体系。
