面层类型和层压结构对芳纶纤维夹层热塑性面层/环氧复合材料力学和动态性能的影响：全面评估

《Polymer Composites》：The Effect of Veil Type and Laminate Architecture on the Mechanical and Dynamic Performance of Aramid Fiber Interlayered Thermoplastic Veil/Epoxy Composites: A Comprehensive Evaluation

　　

本研究系统地研究了热塑性面层（Veil）夹层芳纶纤维/环氧复合材料的弯曲行为、动态振动特性（天然频率（natural frequency）和阻尼比（damping ratio））、粘弹性（viscoelastic）性能、密度、吸水率、孔隙率及微观结构。研究人员检查了由五种热塑性面层（即细玻璃（fine glass, FG）、聚醚酰亚胺（polyetherimide, PEI）、聚酰亚胺（polyimide, PI）、聚醚醚酮（polyetheretherketone, PEEK）和聚苯硫醚（polyphenylene sulfide, PPS））以及两种芳纶层布置（H和2H构型）制成的复合材料。结果表明，面层类型主导了刚度和粘弹性响应。三点弯曲测试的弯曲强度和自由振动分析的有效存储模量（E′_c）被联合用于表征刚度响应。FG面层同时提高了弯曲强度和存储模量，主要作为刚度增强夹层，而PEI、PI和PEEK面层是能量耗散的主要贡献者，具有最高的阻尼比和损耗因子（tan δ_c）值；PPS提供了中间平衡。芳纶层布置是控制阻尼比的关键参数。FG试样显示出最低的吸水率（0.59%）和孔隙率（0.7%），而PI和芳纶试样表现出微观结构缺陷。总体而言，本研究提供了第一层材料筛选，识别出候选面层/构型组合，在做出任何明确的工程应用声明之前，需要进一步验证。

**研究背景与问题**
聚合物基复合材料因高比强度与比刚度，在航空航天、汽车及体育用品领域广泛应用，其中环氧树脂基复合材料凭借优异的力学性能、良好的粘接性和耐化学性备受青睐。然而，环氧树脂基体固有的脆性导致其在冲击或疲劳载荷下易发生灾难性失效，限制了其动态性能。为克服这一局限，研究者发展了多种增韧策略，其中引入夹层或稀布层（Veil）成为有效途径。热塑性稀布层（如PEEK、PPS、PI、PEI等）因其非织造纤维结构，可均匀分布于层压板中，通过偏转裂纹、吸收断裂能及改善界面性能，显著提升复合材料的韧性与损伤容限，同时其粘弹性特性可增强振动阻尼能力。芳纶纤维虽具有高比强度、高模量和优异抗冲击性，但存在与环氧树脂界面粘接差、压缩强度低及树脂浸润困难等问题，导致过早脱粘和孔隙形成。此外，现代工程结构对动态性能（尤其是振动控制）的要求日益严苛，需在静态强度与阻尼特性间取得平衡。因此，本研究旨在系统探究五种热塑性稀布层类型与两种芳纶铺层布置对芳纶/环氧复合材料弯曲性能和振动阻尼行为的影响，为材料筛选提供依据。论文发表在《Polymer Composites》。

**关键技术与方法**
研究人员采用真空辅助树脂传递模塑（VARTM）方法制备复合材料，该方法结合手糊工艺的灵活性，通过真空密封去除多余树脂，实现高纤维体积分数和低孔隙率。材料包括五种热塑性稀布层（FG、PEI、PI、PEEK、PPS，英国Technical Fiber Products Ltd.提供）和200 g/m2平纹芳纶纤维。层压板构型包括纯稀布层对照以及四种杂化构型：将宽度1.5 cm（H）或3 cm（2H）的芳纶条带分别置于靠近上下表面（-2/1）或中平面（-2/2）位置。测试方法包括：三点弯曲试验（ASTM D790）、悬臂梁振动试验（ASTM E756，激光测振仪获取频响函数，半功率带宽法计算阻尼比）、基于欧拉-伯努利梁理论计算有效粘弹性参数（存储模量E′、损耗模量E″、损耗因子tan δ_c），以及密度、吸水率（24 h浸泡）、孔隙率（阿基米德法）和扫描电子显微镜（SEM）微观结构分析。

**研究结果**
**3.1 弯曲性能**：纯稀布层试样中，芳纶纤维弯曲强度显著高于所有热塑性稀布层，其中FG表现出最高的固有弯曲抗力，PEI最低。杂化构型中，FG面层在H-2/1和H-2/2构型中均赋予最高弯曲强度；2H构型（更宽芳纶条带）的整体弯曲强度普遍高于H构型，表明增加杂化层数或优化层布置可提升抗弯能力。芳纶层位置（表面或中平面）对弯曲强度的影响因稀布层类型而异，这与应力分布和损伤抑制机制有关。

**3.2 动态阻尼性能**：纯稀布层中，芳纶纤维试样天然频率最高（309 Hz），FG次之（~100 Hz），PEI、PI、PEEK最低（19–23 Hz）。阻尼比呈现相反趋势：PEI（1.778%）、PI（1.343%）、PEEK（1.293%）显著高于FG（0.41%）和芳纶（0.827%），PPS居中。杂化构型中，FG始终保持最高天然频率，但阻尼比随芳纶层数增加而上升；PEI、PI、PEEK在2H-2/2构型中达到最高阻尼比（如PEI为1.76%）。粘弹性参数显示，芳纶纤维的存储模量（129.76 MPa）和损耗模量（234.35 MPa）最高，但损耗因子（tan δ_c）较低；PEI和PI的tan δ_c分别达3.39和2.69，FG最低（0.81）。杂化构型中，FG仍维持最高存储模量和损耗模量，而PEI、PEEK和PI在2H-2/2构型中tan δ_c最高（如PEI达3.39）。

**3.3 密度、吸水率与孔隙率**：FG试样密度最高（纯样1180 kg/m3），吸水率（0.59%）和孔隙率（0.7%）最低，表明FG与环氧树脂浸润良好，形成致密结构。PI和芳纶试样吸水率（6.79%）和孔隙率（7.77%）最高，反映界面相容性差或气体滞留。杂化后，整体吸水率和孔隙率上升，但FG仍保持最低值；2H-2/2构型中PEI试样吸水率降至1.5%、孔隙率1.73%，表现出最优的树脂浸渍效率。

**3.4 微观结构分析**：SEM图像显示芳纶纤维表面呈原纤化粗糙结构，存在微裂纹，有利机械互锁但可能阻碍树脂渗透。五种稀布层形貌差异显著：FG纤维分布不规则、孔隙大；PEEK、PEI致密均匀；PI、PPS呈毛毡状。微观结构差异与密度、孔隙率及力学性能一致：FG的高孔隙对应高密度和刚度，PEI、PEEK的致密结构对应低孔隙和良好阻尼。

**总结与讨论**
**结论翻译**：本研究实验研究了热塑性稀布层夹层芳纶纤维/环氧复合材料，考察了稀布层类型和芳纶层位置（H和2H构型）对复合材料弯曲、振动、粘弹性、物理和微观结构响应的综合影响。从刚度的角度来看，层压板的弹性刚度响应通过三点弯曲试验获得的弯曲强度和自由振动分析获得的有效存储模量（E′_c）的联合解释来表征。在此基础上，发现FG稀布层主要作为刚度增强夹层，同时提高复合材料的弯曲强度和有效存储模量（E′_c），同时在所有稀布层类型中表现出最低的阻尼比。相反，PEI、PI和PEEK稀布层表现出较低的弯曲强度和较低的有效存储模量，但被确定为能量耗散的主要贡献者，具有最高的结构阻尼比（ξ）和有效损耗因子（tan δ_c）值。PPS稀布层在刚度和阻尼之间提供了更平衡的折衷，保留了适中的弯曲强度和中间存储模量，同时仍提供有用的阻尼性能。总体而言，这些观察结果表明，层压板的刚度响应（通过弯曲强度数据和存储模量数据捕获）主要由稀布层化学选择控制，而芳纶铺层布置（H与2H）主要微调阻尼响应。由于三点弯曲试验期间位移编码器故障，直接弯曲模量测量在本测试活动中不可行，计划作为后续研究的一部分。结果表明，复合材料设计中的刚度和阻尼平衡可以通过结合高模量芳纶增强体和高阻尼热塑性夹层来调节，这特别适用于轻量化和振动控制结构。损伤容限和耐久性性能（包括层间剪切强度、断裂韧性、抗冲击性、疲劳、湿热老化和侵蚀/磨损）不在本研究的范围内，应在做出工程应用声明之前进行评估。