固化压力与表面处理对混杂纤维金属层合板力学性能的影响

《Scientific Reports》：Influence of curing pressure and surface treatment on mechanical properties of hybrid fiber metal laminates

　　

本研究采用基于Taguchi的实验设计，探讨了关键制造参数及石墨烯纳米颗粒添加对纤维金属层合板（FMLs）拉伸行为的影响。研究人员考虑了多个制造参数：层合板构型（玻璃纤维与混杂玻璃-碳纤维增强）、铝表面处理（化学处理与扫描间距为1 mm和2 mm的激光表面织构化）、铝厚度（0.5、0.7和1.0 mm）、石墨烯纳米颗粒含量（0、0.1和0.25 wt%），以及固化压力（2、5和7 bar）。根据Taguchi正交阵列制备了18个FMLs试件，并在拉伸载荷下进行测试。评估了极限拉伸强度（\(\:{\upsigma\:}\)ult）、拉伸模量（E）、韧性模量（UT）和断裂应变（\(\:\epsilon\:\)f）作为性能响应。结果表明，层合板构型显著影响\(\:{\upsigma\:}\)ult、UT和\(\:\epsilon\:\)f，其中全玻璃纤维构型表现出优越的性能响应。石墨烯含量和固化压力对拉伸性能影响最小。对于\(\:{\upsigma\:}\)ult和UT的最优参数组合为：玻璃纤维层合板构型、化学处理铝、铝厚度0.5 mm、0%石墨烯、固化压力2 bar。对于E的最优参数包括：激光1 mm扫描织构、玻璃纤维层合板构型、铝厚度0.5 mm、0%石墨烯纳米颗粒、固化压力5 bar。此外，对于\(\:\epsilon\:\)f的最优参数为：玻璃纤维构型、化学表面处理、铝厚度1 mm、0%石墨烯、固化压力2 bar。验证试验表明模型预测准确，预测误差低于5%，突显了其统计可靠性。

**研究背景与问题**
纤维金属层合板（FMLs）由金属薄片与纤维/环氧复合材料交替层叠制成，兼具低密度、高比强度、优异的损伤容限、疲劳及抗冲击性能，广泛应用于航空航天与汽车工业。然而，FMLs的界面粘附强度是决定其整体性能的关键因素，而界面特性受金属表面处理方式、层合板构型、铝层厚度、纳米填料含量及固化压力等多参数共同影响。现有研究多聚焦于单一参数对FMLs力学性能的影响，但对固化压力（尤其是压缩成型工艺中的压力）与表面处理（如化学处理与激光织构）的协同作用，以及这些参数与石墨烯纳米片（GNP）增强、层合板混杂化、铝厚度的联合效应缺乏系统研究。此外，采用Taguchi-ANOVA方法对多参数进行综合优化以最大化FMLs拉伸性能的研究尚属空白。因此，研究人员开展此研究，旨在揭示关键制造参数对FMLs拉伸性能的交互影响，并确定最优加工条件，为高性能轻量化结构材料的设计提供依据。该论文发表在《Scientific Reports》。

**主要技术方法**
研究人员采用Taguchi L₁₈正交阵列实验设计，系统考察了五个控制因素：层合板构型（全玻璃纤维与混杂玻璃-碳纤维）、铝表面处理（化学处理与激光扫描间距1 mm及2 mm织构）、铝厚度（0.5、0.7、1.0 mm）、石墨烯纳米片含量（0、0.1、0.25 wt%）及固化压力（2、5、7 bar）。所有FMLs试件通过手糊成型后压缩模塑制备，并在室温固化24小时。拉伸试验依据ASTM D3039标准，使用100 kN万能试验机以2 mm/min速度进行。通过Taguchi主效应分析、信噪比（S/N）分析及方差分析（ANOVA）评估各参数对极限拉伸强度（\(\sigma_{\text{ult}}\)）、拉伸模量（E）、韧性模量（UT）和断裂应变（\(\epsilon_f\)）的贡献度，并进行验证实验。

**研究结果**
1. **拉伸工程应力-应变曲线**
- **10层玻璃纤维FMLs试件**：应力-应变曲线呈现三个特征区域：线性弹性区（应变0.01–0.02）、损伤起始区（应变0.02–0.06）和失效区（最大应力370–470 MPa）。弹性模量在16–18 GPa范围内，失效模式包括纤维拔出、纤维断裂和分层，体现出渐进式破坏与良好韧性。
- **碳-玻璃混杂FMLs试件**：曲线初始斜率更陡（模量更高），但损伤起始区出现较早，因碳纤维与玻璃纤维刚度不匹配导致层间剪切应力引发早期分层。失效区表现为脆性断裂，碳纤维断裂与界面分离为主，断裂应变较低（0.035–0.064），韧性模量范围为5.63–15.27 MPa。

2. **力学性能与失效机制**
- 全玻璃纤维层合板（试件1）获得最高极限拉伸强度（472.12 MPa）和韧性模量（15.27 MPa），归因于化学处理铝表面形成的强界面粘附，促进应力传递和渐进失效。
- 混杂碳-玻璃纤维层合板（试件15）强度最低（256.00 MPa），光学显微镜显示铝与复合材料层间严重分层，以及碳/玻璃纤维层间界面不兼容，导致载荷传递效率下降。
- SEM分析显示，含0.1%和0.25% GNP的试件（试件2和16）存在纳米颗粒团聚，成为应力集中点，削弱了纤维-基体界面载荷传递，使拉伸强度分别降低14.9%和38.0%。

3. **Taguchi分析与ANOVA**
- 主效应图表明，层合板构型对\(\sigma_{\text{ult}}\)、UT和\(\epsilon_f\)影响最大（贡献率分别为32.17%、56.99%和64.28%），铝表面处理对E贡献最大（45.61%）。铝厚度和固化压力影响中等，GNP含量影响最小。
- 信噪比分析确认，全玻璃纤维构型、化学处理、0.5 mm铝厚、0% GNP及2 bar固化压力为\(\sigma_{\text{ult}}\)和UT的最优组合；E的最优组合为激光1 mm扫描织构、全玻璃纤维、0.5 mm铝厚、0% GNP及5 bar固化压力；\(\epsilon_f\)的最优组合为全玻璃纤维、化学处理、1.0 mm铝厚、0% GNP及2 bar固化压力。

4. **验证实验与比较研究**
- 验证实验显示，预测值与实验值误差分别为：\(\sigma_{\text{ult}}\) 2.7%、E 1.75%、UT 1.2%，均低于5%，证实模型可靠。
- 与文献对比，本研究的拉伸性能范围（\(\sigma_{\text{ult}}\) 254–472 MPa，E 7.7–17.4 GPa，UT 5.6–15.3 MPa）与现有GLARE型及混杂FMLs数据一致，且通过多参数同步优化获得了更优的强度-刚度-韧性平衡。

**讨论与结论**
研究人员通过综合实验与统计分析，揭示了各制造参数对FMLs拉伸性能的相对重要性。层合板构型是控制强度、韧性与断裂应变的主导因素，而铝表面处理显著影响模量。化学处理通过增强界面化学键合和润湿性优于激光织构的机械互锁效果。GNP添加在0.1–0.25 wt%范围内未带来显著提升，反而因团聚劣化性能。固化压力在2–7 bar范围内对拉伸性能影响有限，但2 bar足以保证良好固化质量。研究结论表明，优化参数组合（全玻璃纤维构型、化学处理铝、0.5 mm铝厚、0% GNP、2 bar固化压力）可显著提升FMLs的拉伸性能，为航空航天与汽车领域轻量化、高损伤容限结构材料的制备提供了实用指导。