《Journal of Materials Research and Technology》：Impact-Induced Damage Mechanisms and Failure Evolution in Intra-Ply Carbon/Flax Hybrid Composite Laminates
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本研究评估了碳/亚麻层内混合（carbon/flax intra-ply hybridization）在提升可持续复合材料层压板低-速度冲击性能（low-velocity impact performance）方面的有效性。研究人员对纯碳（NCFRP）、纯亚麻
本研究评估了碳/亚麻层内混合（carbon/flax intra-ply hybridization）在提升可持续复合材料层压板低-速度冲击性能（low-velocity impact performance）方面的有效性。研究人员对纯碳（NCFRP）、纯亚麻（NFFRP）和碳/亚麻层内混合（CFFRP）复合材料进行了严格的比较评估。根据ASTM D7136标准，在多个能量水平下进行了低-速度冲击试验，并使用力-时间（force–time）、能量-时间（energy–time）和变形-时间（deformation–time）历程以及峰值力（peak force）、吸收能量（absorbed energy）、回弹能量（rebound energy）、接触持续时间（contact duration）和最大变形（maximum deformation）来表征响应。结果表明，NCFRP表现出最高的峰值力，比NFFRP高约40-50%，但在高能量下表现出有限的变形容限和脆性损伤。相比之下，NFFRP表现出显著更大的变形能力，最大变形比NCFRP高60%以上，并具有渐进式能量耗散，尽管在较高冲击水平下发生了准穿孔（quasi-perforation）。层内混合CFFRP层压板实现了协同响应，与NCFRP相比，吸收能量增加了约15-25%，同时相对于NFFRP，最大变形减少了约30-40%。此外，CFFRP在较高冲击能量下保持了回弹能力，表明损伤起始延迟和冲击抗力提高。失效分析表明，混合激活了互补损伤机制，包括基体开裂（matrix cracking）、纤维-基体脱粘（fiber–matrix debonding）、纤维拔出（fiber pull-out）、分层（delamination）、纤维桥接（fiber bridging）和局部纤维断裂（localized fiber fracture），这些机制共同增强了能量吸收并减轻了灾难性失效。
论文《Journal of Materials Research and Technology》发表的这项研究，旨在填补碳/亚麻层内混合复合材料在低-速度冲击性能方面系统研究的空白。研究背景方面，合成纤维如碳纤维虽具有优异力学性能，但生产过程能耗高、不可回收，而天然纤维如亚麻虽可再生且成本低，却存在纤维-基体界面结合弱、吸湿性强、冲击抗力低等固有缺陷。混合化策略通过将不同纤维结合在同一基体中，有望实现刚度和韧性的协同，但以往研究多集中于层间混合（inter-ply hybrid），对层内混合（intra-ply hybrid，即碳纤维与亚麻纤维在同一织物层内交织）的认识不足，尤其缺乏对冲击损伤演化机制的深入解析。
为此，研究人员采用真空辅助树脂灌注成型（VARIM）工艺，制备了纯碳纤维增强聚合物（NCFRP）、纯亚麻纤维增强聚合物（NFFRP）以及碳/亚麻层内混合纤维增强聚合物（CFFRP）三种层压板，层压板厚度约10 mm，纤维体积分数为60%，其中CFFRP中碳与亚麻各占30%。所有试样按照ASTM D7136标准进行落锤冲击试验，能量范围20–120 J，通过力-时间、能量-时间、变形-时间曲线及峰值力、吸收能量、回弹能量、接触持续时间、最大变形等关键参数表征冲击响应，并结合扫描电子显微镜（SEM）观察失效形貌。
主要关键方法包括：（1）真空辅助树脂灌注成型（VARIM）制备层压板，确保低孔隙率；（2）按照ASTM D7136标准进行落锤冲击试验，记录多能量下的力-时间、能量-时间、变形-时间数据；（3）扫描电子显微镜（SEM）分析断裂区域微观形貌，识别损伤机制。材料来源：碳纤维与亚麻织物均购自南京Faircon新材料有限公司。
研究结果如下：
（1）渗透与穿孔阈值（Fig. 4）：NCFRP的渗透和穿孔阈值最高（约120 J和130 J），CFFRP居中（约60 J和80 J），NFFRP最低（约50 J和60 J），表明层内混合显著提升了纯亚麻的冲击抗力。
（2）NCFRP冲击响应（Fig. 5）：峰值力随能量增加而增大，但高能量下出现力饱和，吸收能量持续上升并接近入射能量，而回弹能量在120 J时骤降，最大变形达到18.95 mm。表明碳纤维刚度主导，但脆性破坏导致变形容限有限。
（3）NFFRP冲击响应（Fig. 6）：峰值力较低（约9609 N在50 J），但变形显著（最大35.51 mm在60 J），吸收能量在50 J后下降，回弹能量接近零，显示准穿孔和大变形主导的能量耗散。
（4）CFFRP冲击响应（Fig. 7）：峰值力介于NCFRP和NFFRP之间（约9759 N在80 J），吸收能量在60 J时达57.7 J，变形在50 J前控制良好（11.29 mm），之后急剧增大，但回弹能量在50 J后仍保持一定值，表明延迟损伤起始和协同效应。
（5）关键参数对比（Fig. 8–10, Table 3）：CFFRP在中等能量下吸收能量比NCFRP高15–25%，最大变形比NFFRP低30–40%，同时保持较高峰值力。NCFRP刚而脆，NFFRP柔而损伤严重，CFFRP实现了刚柔平衡。
（6）失效机制分析（Fig. 11–13）：CFFRP中观察到基体开裂、纤维-基体脱粘、纤维拔出、分层、纤维桥接及局部纤维断裂等多种互补损伤模式。亚麻纤维的桥接和拔出延缓了裂纹扩展，而碳纤维提供载荷支撑，两者协同提升了能量吸收并抑制灾难性破坏。
讨论部分总结：层内混合通过激活多重损伤机制，实现了应力重新分布和渐进损伤，避免了单一纤维系统的极限失效。结论部分翻译如下：本研究通过VARIM工艺制备了NCFRP、NFFRP和CFFRP复合材料，并系统研究了低-速度冲击行为。基于实验证据得出以下结论：1）NCFRP层压板表现为刚度主导的冲击响应，具有最高峰值力和最低变形，但高能量下易发生脆性损伤。2）NFFRP层压板表现出高度柔顺、变形主导的行为，峰值力低且变形大，但损伤积累严重。3）CFFRP层内混合复合材料实现了平衡的冲击响应，成功融合了碳纤维的刚度和亚麻纤维的延性，减轻了NCFRP的脆性破坏，同时提供了比NFFRP更好的载荷控制。4）能量吸收分析表明，CFFRP在中等冲击水平下比NCFRP吸收更多能量，证明亚麻纤维的加入提高了碳基体系的能量耗散阈值。5）回弹能量和变形趋势显示，混合化延迟了向损伤主导行为的转变，CFFRP对NFFRP的过度弯曲和NCFRP的局部脆性断裂表现出改善的抗性。6）失效机制分析表明，混合架构激活了互补损伤模式，如亚麻构成的纤维桥接和拔出，以及碳纤维断裂，共同增强能量耗散，防止灾难性破坏。7）结果表明，碳/亚麻层内混合是一种可行的冲击性能定制策略，为单纤维系统不足的应用提供了结构刚度与能量吸收能力的有效平衡。8）需指出，本研究并非提出新的物理损伤机制或通用预测模型，而是作为相同制造（VARIM）和测试（ASTM D7136）条件下的实验基准，建立了该特定碳/亚麻构型的性能范围，为层内混合架构如何分布应力、缓和脆性裂纹扩展提供了经验依据。
