纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(FRP)是一類應(yīng)用廣泛的工程結(jié)構(gòu)材料，在強(qiáng)度、剛度和耐腐蝕性方面性能優(yōu)異，目前已被認(rèn)為是助推海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)的關(guān)鍵海洋新材料之一。但受其層狀結(jié)構(gòu)特征與樹脂本征脆性的影響，其沿厚度方向的承載能力較弱，在面外荷載作用下，F(xiàn)RP容易分層而產(chǎn)生災(zāi)難性結(jié)構(gòu)失效。因此，提高其層間斷裂韌性是研發(fā)及應(yīng)用深海大尺寸復(fù)合材料耐壓艙所亟待解決的關(guān)鍵問題。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋關(guān)鍵材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室納米復(fù)合工程材料團(tuán)隊(duì)茅東升研究員和歐云福助理研究員長(zhǎng)期致力于納米增強(qiáng)增韌樹脂基復(fù)合材料方面的研究工作，已取得一系列研究進(jìn)展。
近日，該團(tuán)隊(duì)提出一種新的“網(wǎng)格結(jié)構(gòu)增韌”概念。研究選用整體連續(xù)，局部不連續(xù)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)聚酰胺(PA)，通過真空輔助樹脂灌注(VARI)工藝一體化復(fù)合至玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(GFRP)層間，熱壓成型得到PA插層GFRP。通過多種斷裂試驗(yàn)和失效分析，闡明了GFRP 的I型(張開型)和Ⅱ型(平面剪切型)層間斷裂行為與PA網(wǎng)狀插層特征參數(shù)之間的相關(guān)性。
通過引入PA網(wǎng)格，GFRP的I型和II型層間斷裂韌性最高分別提升了109%和69%。這歸因于網(wǎng)格狀PA的結(jié)構(gòu)增韌效應(yīng)：PA網(wǎng)格纖維在層間誘導(dǎo)裂紋偏轉(zhuǎn)或引導(dǎo)裂紋傳播，進(jìn)一步激活PA纖維橋接、塑性變形和斷裂等增韌機(jī)制，具體增韌機(jī)制由網(wǎng)格孔隙率、厚度等結(jié)構(gòu)特征參數(shù)決定。有趣的是，PA網(wǎng)格呈現(xiàn)出非典型的層間增韌行為。例如，對(duì)于有效增韌樣品，它們的Ⅰ型測(cè)試可被分為兩階段：裂紋穩(wěn)定傳播階段和裂紋快速發(fā)展階段。在穩(wěn)定傳播階段，PA網(wǎng)格纖維發(fā)揮誘導(dǎo)偏轉(zhuǎn)作用，網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)增韌效應(yīng)被激發(fā)，裂紋克服PA纖維的阻礙緩慢傳播。然而在快速發(fā)展階段，PA的裂紋引導(dǎo)作用占據(jù)主導(dǎo)，插層網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)增韌效應(yīng)難以激活，裂紋沿PA插層-樹脂界面迅速傳播。分析最終結(jié)果，影響PA網(wǎng)格增韌效率的主要因素是網(wǎng)格孔隙率。只有在適當(dāng)?shù)目紫堵史秶鷥?nèi)(20%~60%)，PA網(wǎng)格的層間增韌效應(yīng)才能夠被激活。在此前提下，厚度作為次要主導(dǎo)因素，對(duì)PA插層復(fù)合材料的層間斷裂韌性起到正向調(diào)節(jié)作用。
這一工作探究了新型FRP結(jié)構(gòu)插層體系，對(duì)于進(jìn)一步提升纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的極限承載能力，支撐深海裝備取得新突破具有重要意義。相關(guān)成果以“Polyamide mesh as?an?effective toughening interlayer for?GFRP composites: insights into?fracture behavior and?mechanisms”為題，發(fā)表于Advanced Composites and Hybrid Materials期刊。寧波材料所直博生張?jiān)藕嵑痛T士生趙紅晨為該論文的共同第一作者，歐云福助理研究員和茅東升研究員為共同通訊作者。這項(xiàng)工作得到了浙江省引進(jìn)培育領(lǐng)軍型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2021R01005)、“甬江引才工程”—— 寧波市“3315”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2021A-045-C)、中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2022M713241)和浙江省自然科學(xué)基金(LMS25E030002)的支持。
圖1 雙懸臂梁測(cè)試中樣品的分層破壞行為示意圖
圖2 網(wǎng)格狀PA插層的特征結(jié)構(gòu)參數(shù)與GFRP樣品的Ⅰ型和Ⅱ型層間斷裂韌性的相關(guān)曲線
