薄毡中间层类型与位置对碳纤维和玻璃纤维/环氧复合材料力学响应的影响

《Polymer Composites》：Effect of Veil Interlayer Type and Placement on the Mechanical Response of Carbon and Glass Fiber/Epoxy Composites

　　

本研究考察了五种薄毡中间层材料——细玻璃(FG)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)和聚酰亚胺(PI)——在两种层压板位置（近表面，8/2–1；近中性轴，8/2–2）下对碳纤维和玻璃纤维/环氧复合材料力学性能的影响。复合材料通过真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺制造。依据ASTM D2344和ASTM D790标准，通过三点弯曲试验评估了层间剪切强度(ILSS)和弯曲性能，同时在一个专门设计的自由-固支夹具下进行轴向压缩试验评估屈曲响应，并以坍塌时的屈曲峰值力(BPF)报告。采用扫描电子显微镜(SEM)观察断裂表面。在碳纤维复合材料中，位于8/2–2位置的PEEK获得了最高的ILSS增益（10.9%），而位于8/2–1的PEI产生了最大的弯曲强度增加（7.16%）。最显著的屈曲改善来自位于近中性轴的FG薄毡：碳纤维体系提高17.33%，玻璃纤维体系提高34.83%。近中性轴位置(8/2–2)总体上有利于屈曲抗力，并且常常改善ILSS，尽管观察到了材料特定的例外；近表面位置(8/2–1)在碳纤维复合材料中对弯曲强度更有效。SEM观察将性能增益与界面形貌、基体保留和机械互锁相关联，而非仅仅归因于厚度或密度变化。碳纤维复合材料表现出比玻璃纤维体系更大的ILSS和弯曲强度改善，而最大的屈曲增益则在玻璃纤维/FG构型中获得。这些结果为复合界面工程中的薄毡选择和层压板定位提供了实用指导。

论文解读：薄毡中间层类型与位置对碳/玻璃纤维环氧复合材料力学性能的影响

一、研究背景与目的

复合材料因其高比强度、设计灵活性和耐环境性能，广泛应用于航空航天、汽车和国防等领域。在服役过程中，复合材料结构常承受弯曲主导和层间剪切载荷。由于纤维/基体界面决定应力传递和失效行为，界面结合不良会促进分层和层间剪切破坏，降低纤维增强聚合物基复合材料的耐久性和可靠性。制造过程中引入的空气滞留和孔隙会削弱纤维润湿与基体增强粘附，进而改变控制层间响应的界面结合机制。薄毡(Veil)中间层（一种非织造薄毡）作为一种在不显著改变制造工艺的前提下改善微尺度界面性能的实用方法受到关注。

已有研究多集中于单一Veil材料、单一位置或单一加载模式，缺乏同时系统评估Veil类型、层合板位置、纤维基体相容性以及多种加载模式下微观结构相互作用的研究。碳纤维与玻璃纤维体系对相同Veil构型的力学响应也未得到系统比较。本研究针对这一空白，采用五种Veil材料（FG、PEI、PEEK、PPS、PI）和两种层合板位置（近表面8/2–1；近中性轴8/2–2），在碳纤维和玻璃纤维增强环氧复合材料中系统考察Veil化学性质、厚度方向位置和增强纤维类型的协同影响，并通过层间剪切、弯曲和屈曲三种加载模式提供多维评估。该研究发表在《Polymer Composites》。

二、研究方法概述

研究人员采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺制备层合板。增强体为500 g/m²的平纹碳纤维和玻璃纤维织物（Carbomid A.?., ?stanbul），基体为DTE 1120环氧树脂与DTS 1151固化剂（Duratek, ?stanbul），五种Veil材料购自Technical Fibre Products Trading Ltd. (Cumbria, UK)。所有层合板以相同纤维/树脂质量比（60/40）在相同真空、灌注、压实和固化条件下制造。测试方法包括：依据ASTM D2344的短梁剪切法测定层间剪切强度(ILSS)；依据ASTM D790的三点弯曲试验；以及自制自由-固支夹具下的轴向压缩屈曲试验，报告坍塌时的屈曲峰值力(BPF)。断裂表面通过扫描电子显微镜(SEM)观察。每组8个试样，数据以均值±标准差表示，采用单因素方差分析和Welch t检验进行统计。

三、研究结果

3.1 SEM图像

SEM观察显示，Veil改性显著改变了界面形貌。碳纤维对照组呈现明显的纤维拔出和界面空隙，表明纤维-基体结合较弱；FG改性后断裂表面更不规则，纤维周围有树脂残留，提示纤维-基体相互作用改善；PEEK呈现密集纤维状微观结构，可能增强粘附并强化界面；PEI形貌更均匀，支持稳定载荷传递；PI分布不均匀，存在局部弱区；PPS则呈现更整合的纤维-基体过渡。玻璃纤维体系中，PEI改性表面更平滑均匀，PEEK仍呈纤维状但效果弱于碳纤维体系。总体上，碳纤维与玻璃纤维的失效模式不同，SEM观察与力学测试结果一致。

3.2 平均试样厚度与ILSS测试结果

所有Veil改性层合板厚度均高于对照组，C8/2–2 FG增加16.43%为最大，但厚度增加并不自动转化为更好的力学性能。ILSS方面，碳纤维体系中C8/2–2 PEEK增益最高达10.9%，C8/2–1 PI和C8/2–2 PPS分别为10.6%和10.4%；玻璃纤维体系中G8/2–2 PEI增益最高为4.1%。单因素ANOVA未显示总体显著效应，但碳纤维系列中C8/2–2 PEEK、C8/2–1 PEI、C8/2–1 PI和C8/2–2 PPS的Welch t检验显著优于对照组，而玻璃纤维系列无一显著。

3.3 三点弯曲测试结果与试样密度

密度变化较小，碳纤维体系增加不超过2.76%，玻璃纤维体系最大变化约3.5%。碳纤维体系中，C8/2–1 PEI弯曲强度提高7.16%为最高，且表面位置(8/2–1)总体优于近中性轴(8/2–2)；玻璃纤维体系中，G8/2–2 FG提高4.96%为最高，但玻璃纤维对Veil位置更敏感。比弯曲强度方面，碳纤维C8/2–1 PEI提高6.44%，玻璃纤维G8/2–1 PEEK提高6.62%。密度变化较小，说明力学增益未伴随明显质量惩罚。

3.4 屈曲测试结果

屈曲性能对Veil位置高度敏感。碳纤维体系中，C8/2–2 FG提高17.33%，C8/2–2 PPS提高16.24%，C8/2–2 PEI提高11.99%，而8/2–1位置有时反而降低；玻璃纤维体系中，G8/2–2 FG提高34.83%为所有配置中最显著，G8/2–2 PPS提高12.96%，G8/2–2 PEI提高11.20%。近中性轴放置(8/2–2)通常有利于屈曲抗力，因为该区域层间剪切应力最大，可延缓局部失稳和层间分离。

四、讨论与结论

讨论指出，Veil增强并非一致提升所有力学响应，其效果强烈依赖于Veil化学性质、层合板位置、纤维类型和加载模式。弯曲性能与屈曲性能的最优位置相反：弯曲时表面位置更有效，因为外层承担最大轴向应力；屈曲时近中性轴位置更有效，因为层间剪切应力在中面附近最大。SEM观察表明，性能提升与基体保留、界面连续性改善和机械互锁相关，而非单纯厚度或密度变化。

结论部分翻译如下：本研究测试了含五种Veil中间层材料（FG、PEEK、PPS、PEI、PI）在两种层合板位置（近表面8/2–1和近中性轴8/2–2）下的碳纤维和玻璃纤维增强环氧复合材料的层间剪切、弯曲和屈曲响应。层合板通过VARTM制造，并通过ILSS、三点弯曲和屈曲测试表征，SEM用于检查界面形貌。Veil增强并未统一改善每一种力学响应，其效果强烈依赖于Veil化学性质、层合板位置、纤维类型和加载模式。碳纤维复合材料显示出比玻璃纤维体系更大的ILSS和弯曲强度改善，表明若干Veil中间层与碳纤维/环氧层合板结构具有更有利的相互作用。然而，最大的屈曲改善来自玻璃纤维构型：G8/2–2 FG增益34.83%，而C8/2–2 FG为17.33%。具体发现：碳纤维复合材料中最高ILSS改善由C8/2–2 PEEK实现（10.9%）；最大弯曲强度提升由C8/2–1 PEI记录（7.16%）；玻璃纤维复合材料中最高ILSS由G8/2–2 PEI获得，而最高弯曲强度和最大屈曲增益由G8/2–2 FG获得。最显著的BPF改善出现在近中性轴放置的FG薄毡：碳纤维为17.33%，玻璃纤维为34.83%。近中性轴放置(8/2–2)通常产生较大屈曲改善并经常改善ILSS，但存在材料依赖性例外；近表面放置(8/2–1)对碳纤维弯曲强度更有效。SEM观察支持性能增益与更大的基体保留、更连续的界面形貌和机械互锁效应相关。总体而言，必须根据目标加载条件选择Veil中间层：PEEK对碳纤维ILSS最有效，PEI对碳纤维弯曲强度最有效，FG对屈曲抗力最有效，尤其当放置于近中性轴时。优化Veil材料选择和放置位置可实现针对性力学改善，为结构要求严苛的