【复材资讯】单向层压复合材料仿生自拼接技术研究进展

导读
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碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料由于具有较高的比强度和比刚度，在工程上得到了广泛的应用。然而，CFRP复合材料的固有脆性可能导致灾难性破坏，在最终破坏之前很少或根本没有预警。为了提高碳纤维复合材料的韧性，人们进行了许多尝试，如树脂基体改性、纤维杂化和界面增韧等。有趣的是，数百万年来，大自然一直在克服强度和韧性之间的冲突，并让这些属性达到了一个独特的平衡。许多坚硬的生物材料，如骨骼、牙齿、珍珠等，都具有令人难以置信的力学性能，这些生物材料为新一代高性能材料的开发提供了无限的灵感。虽然以往的研究取得了一定的进展，但在性能提高方面仍存在局限性。超韧生物材料在不同长度尺度上多种增韧机制的协同作用，以及生物材料亚微观结构活化增韧的机理值得进一步探索。
在之前的工作中，作者已经初步比较了完全由自拼接层组成的不连续CFRPs与其基线不连续CFRPs的性能。结果表明，不连续自拼接CFRPs具有良好的抗压性能具有提高韧性的潜力，但不幸的是，其韧性的提高伴随着强度的大幅降低，而这不能通过调整步长来解决。如何合理运用自拼接的设计理念，充分发挥其优势和作用，实现强度与韧性之间的权衡还需进一步研究。
2023年，《Composites Science and Technology》期刊发表了西安交通大学在单向层压复合材料仿生自拼接技术方面的研究工作，论文标题为“Bio-inspired self-stitching for enhancing ductility and impact resistance of unidirectional laminated composites”，通讯作者为段玉岗教授和肖鸿副教授。

在这项工作中，作者创新地设计了具有连续和不连续自拼接层的夹层混杂CFRP复合材料。这项工作旨在调节不同增韧机制之间的竞争，以获得所需的高强度，同时提高CFRP层压板的延展性和韧性。采用高精度激光切割技术对CFRP层压板进行了加工，研究了复合材料自拼接层数对复合材料力学性能和破坏机制的影响。