【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】纖維增強樹脂基復(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)為是助推海洋強國建設(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)鍵材料全國重點實驗室納米復(fù)合工程材料團隊茅東升研究員和歐云福助理研究員長期致力于納米增強增韌樹脂基復(fù)合材料方面的研究工作，已取得一系列研究進展。
近日，該團隊提出一種新的“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，進一步激活PA纖維橋接、塑性變形和斷裂等增韌機制，具體增韌機制由網(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，對于有效增韌樣品，它們的Ⅰ型測試可被分為兩階段：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，對于進一步提升纖維增強復(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耘簫和碩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。這項工作得到了浙江省引進培育領(lǐng)軍型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊項目(2021R01005)、“甬江引才工程”—— 寧波市“3315”創(chuàng)新團隊項目(2021A-045-C)、中國博士后科學(xué)基金項目(2022M713241)和浙江省自然科學(xué)基金(LMS25E030002)的支持。
圖1 雙懸臂梁測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
所有評論僅代表網(wǎng)友意見，與本站立場無關(guān)。