纤维织物/柔性聚合物复合材料界面增强的机械互锁结构设计

《Advanced Industrial and Engineering Polymer Research》：Design of Mechanical Interlock Structure for Interface Enhancement in Fiber Fabric/Flexible Polymer Composites

　　

界面分层是纤维织物/柔性聚合物复合材料中常见的破坏模式。研究人员以芳纶纤维(AF)织物/热塑性聚氨酯(TPU)复合材料为代表性体系，开发了一个多尺度模型来预测界面剥离强度。在该模型的指导下，研究人员设计了一种界面机械互锁结构，并对其进行了几何优化。实验表明，优化后的机械互锁结构使界面剥离强度提高了9.6倍。提出的多尺度建模框架和机械互锁设计策略为纤维织物/柔性聚合物的界面增强提供了指导。

纤维织物/柔性聚合物复合材料因其低密度和高比强度，在平流层飞艇蒙皮、可充气复合材料机翼、空间可展开结构以及柔性电子设备等领域具有广阔的应用前景。然而，界面分层是这类复合材料的主要破坏模式之一，这不仅会降低载荷传递效率，还可能导致灾难性的结构或功能失效。目前，研究人员常采用化学改性、纳米填料增强、表面涂层及等离子处理等物理和化学方法来改善纤维与基体间的粘附性。但这些方法往往面临成本高昂、工艺复杂、可重复性差或需要昂贵精密设备等挑战，难以满足低成本、大规模制造的需求。为了克服这些难题，开展兼具低成本与高界面强度的增强结构设计研究显得尤为重要。

为此，研究人员以芳纶纤维(AF)织物/热塑性聚氨酯(TPU)复合材料为代表性体系，开展了一项旨在提升复合材料界面剥离强度的多尺度建模与机械互锁结构设计研究。该研究不仅揭示了粘结层厚度和接触面积等几何参数对界面剥离性能的影响规律，还开发出一种能显著提升界面强度的机械互锁结构。该研究成果为柔性复合材料的界面增强设计提供了重要的理论指导与分析框架，并发表在《Advanced Industrial and Engineering Polymer Research》上。

在关键技术方法方面，研究人员首先制备了不同规格的AF织物与TPU粉末热压T型剥离试样（样本队列：四种不同规格的市售AF织物，AF购自Texrise，TPU购自BASF）。随后，利用光学显微镜和扫描电子显微镜(SE)对试样表面形貌及孔隙率进行表征，并通过单轴拉伸和T型剥离实验测定了材料的力学响应。在数值模拟方面，研究构建了一个贯通纳米、微观到宏观尺度的多尺度分析框架。在纳米尺度，采用分子动力学(MD)模拟获取界面的法向与剪切牵引-分离响应，并以此拟合内聚力模型(CZM)参数。微观与细观尺度上，利用代表性体积元素(RVE)进行均匀化分析以推导等效力学性能。宏观尺度上，结合Mooney-Rivlin本构模型与内聚力模型建立T型剥离有限元模型以预测宏观剥离强度，并基于多岛遗传算法对机械互锁结构进行了尺寸优化。

在研究结果方面，具体包含以下几个部分：

实验结果揭示，T型剥离实验表明，对于特定规格的织物，剥离强度随TPU厚度增加先增大后减小，在1mm厚度时达到峰值，验证了优化粘结层厚度的重要性。同时，随着纱线宽度和厚度的增加，纱线与TPU之间的接触面积扩大，显著提高了抵抗分层所需能量。表面形貌分析显示，剥离后的织物表面残留有TPU，且高规格试样保留了更多连续的TPU，表明材料发生了混合的界面/内聚破坏。截面形貌证实了TPU基体形成了连续相并有效浸润了纱线表面，孔隙率保持在1%至3%之间。

多尺度分析结果显示，纳米尺度下MD模拟获得了稳定的界面参数。微观与细观RVE均匀化分析表明，细观RVE表现出正交各向异性，其等效力学性能输入宏观模型后，预测的复合材料的拉伸模量与实验数据误差低于5.9%，验证了RVE模型在预测不同规格复合材料拉伸行为上的有效性。界面本构模型推导揭示了剥离强度与TPU厚度和接触面积的关系。研究表明，TPU厚度过小会引起几何限制导致界面应力集中，而厚度过大则会降低载荷传递效率，均在0.8-1.0mm厚度时剥离强度最佳。此外，接触面积增加21%即可使剥离强度增加455%。研究构建的宏观T型剥离模型在考虑上述参数后，模拟预测误差均低于15%。

机械互锁模型研究设计了六种机械互锁配置。对比研究发现，最优构型能使剥离强度提升140.9%。通过多岛遗传算法对该构型的折臂倾角、折尖间隙和过渡长度进行尺寸优化，得出强度随倾角和间隙减小而增加的规律。尺寸优化后的机械互锁结构与原始平面结构相比，5108、6108、6301和5301规格的剥离强度分别提升了9.6倍、6.2倍、4.8倍和4.2倍。SEM形貌观察显示，互锁试样剥离表面粗糙且伴有撕裂脊和空腔等特征，证实界面破坏由纯界面破坏转变为混合的界面/内聚破坏。

在讨论与总结部分，研究人员总结了通过多尺度力学建模与机械互锁结构优化相结合的界面增强策略。研究明确指出，优化后的机械互锁结构通过互补的凹凸几何特征作为锚点，将剥离载荷从裂纹前沿重新分布到互锁侧壁，使侧壁承受剪切和压缩应力，从而限制局部开口位移并延缓损伤的起始。此外，裂纹偏转、TPU撕裂和织物拔出等后续破坏过程进一步增加了断裂表面和耗散功。研究结论表明，以TPU/AF织物复合材料为代表性体系，研究人员开发的复合材料界面剥离多尺度模型成功阐明了剥离强度与粘结层厚度及织物接触面积之间的关系，构建了纤维织物/柔性聚合物复合材料的界面本构模型。基于此框架设计并优化尺寸的机械互锁结构使界面剥离强度提高了9.6倍。这一界面增强策略和多尺度分析模型为纤维织物/柔性聚合物复合材料的界面强化设计提供了系统的分析框架。