用于连接均匀与非均匀三维连续纤维晶格的界面打结与缠绕加固技术

《COMPOSITE STRUCTURES》：Interfacial knotting and winding reinforcement for joining homogeneous and heterogeneous 3D continuous fiber lattices

　　

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  湿式重粘接与连续纤维桥接技术可实现在依次制备的格构单元之间形成永久性连接。
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  打结与缠绕分别可实现局部固定与整体约束。
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  CFRP与CFRP构成的接头能够保持甚至超越整体式结构的性能水平。
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  CFRP与AFRP构成的接头可通过材料混合实现刚度与耗能特性的调控。

引言

经过设计的复合材料为构建兼具低质量、高刚度、高强度以及良好能量吸收能力的结构系统提供了可能[1]、[2]、[3]。在这些材料中，格构结构尤为出色，因为它将材料分布在独立的杆件和节点上，使得载荷传递路径的设计效率远高于传统固体材料或常规低密度核心结构[4]、[5]。当格构拓扑结构与加固方式合理结合时，结构变形可从以弯曲为主的破坏模式转变为以拉伸为主的更高效载荷传递模式，从而在较低体积分数下提升结构效率[6]。这使得复合格构结构在交通运输、机器人技术、航空航天、夹层结构以及能量吸收系统等轻量化结构领域具有广泛应用价值[6]、[7]。碳纤维增强聚合物因其极高的比刚度和强度，且其连续纤维可沿预定载荷路径排列，因此在这些应用中尤为有效[8]、[9]、[10]。在连续纤维格构结构中，其机械优势不仅源于格构拓扑结构，还在于纤维能够在杆件和节点间保持连续路径[11]、[12]。

近期研究提出了多种实现连续纤维格构结构的方法，每种方法都有其独特的优点与局限性[13]。连续纤维增材制造技术可实现格构结构与夹层结构中纤维路径的精准控制[14]、[15]、[16]，但打印出的纤维路径往往受到喷嘴可及范围、沉积连续性、热塑性固化过程以及打印机成型空间的限制[17]、[18]、[19]。无芯纤维缠绕技术则可以制造出具有高度连续载荷路径的轻质桁架与格构结构[20]、[21]，但其最终几何形状很大程度上取决于缠绕框架、锚固点布置以及整体制造流程[22]。编织与编绳预成型技术虽能确保纤维的连续性并实现整体加固，但这类技术通常应用于预成型件或面板层面，并不适用于独立制造的格构单元的后固化组装[23]、[24]。还有些复合格构结构是通过将层压的CFRP板材切割成条带或槽缝，再将其组装成桁架或格构核心来实现的[25]、[26]、[27]，这种方法虽然适用于夹层结构，但往往会引入离散的接头、中断的纤维路径以及受几何形状影响的组装限制。这些方法都体现了连续纤维格构结构制造中的一个核心矛盾：只有在整个结构中保持纤维连续性才能获得最高的机械效率，但这种高度集成性却限制了结构的后续扩展性、局部更换能力、材料混合使用的可能性以及向更大规模结构整合的可行性。在我们之前的研究中，通过在整个格构结构中保持连续的载荷路径，我们实现了具有类似泡沫质轻特性且具备整体级压缩强度的介观尺度碳纤维格构结构[28]。另外，模块化连续纤维格构核心在夹层梁结构中也展现出了出色的抗弯性能[29]。这些研究成果充分证明了连续纤维格构结构的重要价值。然而，当这类格构结构需要超出当前制造能力范围进行放大、与不同类型的纤维材料结合、在局部受损后进行修复，或是整合到更大的结构体系中时，就必须找到一种方法将独立制造的各个单元连接起来，同时还能保持原有格构结构的载荷传输效率。因此，可靠的格构结构间连接技术并非要取代完全连续的整体式制造工艺，而是为实现高性能连续纤维格构结构在模块化及混合工程结构中的应用提供必要的补充手段。

与传统的复合层压结构相比，格构结构中的连接问题更为复杂[30]。层压结构中的接头通常具有相对连续的粘结或加固界面，这使得粘接[31]、共粘接[32]、缝合[33]、[34]或Z型固定[35]、[36]等方法能够在明确的平面范围内发挥作用。而格构结构之间的界面则是多孔的、离散的、非平面的，仅依靠固化后的杆件与节点之间的局部接触来承受载荷。因此，载荷传递必须通过杆件间的接触、节点约束以及局部纤维桥接来实现，而非依靠连续的层间应力场。传统的连接方法并不适合这种几何结构。对于细长的复合格构构件而言，使用螺栓、铆钉或插入件等进行机械固定是不切实际的，因为这些方式会引发局部应力集中、纤维断裂、截面减小以及额外质量增加等问题[37]、[38]、[39]。虽然粘接技术可以避免直接的机械损伤，但它受到树脂含量较高的固化CFRP表面以及格构界面处有限且不连续的接触面积的限制[40]、[41]。表面处理虽然有助于改善二次粘接效果[42]，但仅靠粘接技术无法在预固化的格构结构界面之间恢复连续的纤维载荷路径。更为有效的策略是在接头处增设额外的连续纤维桥接路径。在生物学[43]和纺织物粘合领域也存在类似的概念，即通过纤维环绕或打结在支撑结构上形成机械约束[45]。不过据我们所知，这类桥接概念尚未被系统地应用于格构结构之间的连接。

在本研究中，我们提出了一种永久性的格构结构间连接方案，即通过湿式重粘接以及机械加固的纤维桥接技术，将预先固化的主格构结构与随后缠绕并重新固化的次级格构结构连接在一起。该方案的核心目标是将原本被动的粘结接触面转变为能够主动传递载荷的区域。我们研究了两种不同的加固方式：一种是局部打结，即在选定的杆件区域设置离散的锚固点；另一种是分布式缠绕，即为整个界面提供周向约束。我们通过改变表面处理方式、环数、打结密度、材料组合以及缠绕圈数，分别在同种CFRP与CFRP构成的接头以及异种CFRP与AFRP（芳纶纤维增强聚合物）构成的接头中测试了这两种加固方式的效果。我们通过压缩试验、单调拉伸试验、循环拉伸试验以及四点弯曲试验来评估界面性能。通过这一研究框架，我们阐明了局部锚固与分布式约束如何影响连接后的连续纤维格构结构的载荷传递、刚度恢复、残余变形以及能量耗散情况。

章节概要

研究方法

本节介绍了所采用的格构结构设计、逐步连接流程、加固方案以及用于评估界面性能的力学测试方法。实验设计考虑了三个独立因素：预先固化的主格构结构的表面处理情况、界面处的加固方式，以及CFRP与AFRP次级格构结构之间的材料组合。我们首先制备了作为对比参考的整体式格构结构，随后再研究连接后的结构表现

结果与讨论

本研究的结果分析了界面加固方式对连接后的连续纤维格构结构载荷传递性能的影响。第3.1节研究了表面处理效果以及粘结界面的形态特征。第3.2节分析了压缩响应情况，此时界面主要在封闭接触条件下承受载荷。第3.3节则通过单调拉伸试验与循环拉伸试验相结合的方式，评估结构的抗拉伸开裂能力、循环稳定性以及残余位移积累情况

结论

依次制备的连续纤维格构单元需要能够跨越多孔、非平面且位于杆件级别的界面来恢复载荷传递功能的连接方式。本研究提出了一种永久性的格构结构间连接方案，即通过湿式重粘接与机械加固的纤维桥接技术，将预先固化的主格构结构与随后缠绕并重新固化的次级格构结构连接在一起。研究结果表明，局部打结与分布式缠绕两种加固方式能够形成不同的界面作用机制：

关于 manuscript 制作过程中生成式AI与AI辅助技术的声明

在撰写本论文的过程中，作者们使用了Google Gemini工具来协助绘制图1(f)、图1(g)以及图8。在使用该工具/服务之后，作者们对相关内容进行了必要的审阅与修改，并对最终发表文章的内容承担全部责任。

CRediT作者贡献说明

Jun Young Choi： 文章撰写——审阅与编辑、研究指导、项目管理、研究方法设计、实验研究、数据分析、数据整理、概念构思。Subin Yi： 文章撰写——审阅与编辑、结果可视化、研究方法设计、实验研究。Seonghun Hyeon： 实验研究。Sung-Hoon Ahn： 文章撰写——审阅与编辑、研究指导、资源协调、概念构思。

利益冲突声明

作者声明存在以下可能被视为利益冲突的财务利益或个人关系：作者已提交了一项名为“连续纤维结构之间载荷传递界面形成方法与结构”的韩国专利申请，申请日期为4月6日^th。除此之外，作者不存在其他可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持，该基金由韩国政府拨款资助（所属部门为MSIT，项目编号为RS-2024-00356951）。作者们还要感谢Hyosung先进材料公司为本研究提供了所需的实验材料。Sung-Hoon Ahn目前担任首尔国立大学先进机器与设计研究所的所长。

Jun Young Choi|Subin Yi|Seonghun Hyeon|Sung-Hoon Ahn