摘要：该研究探讨了由碳纤维增强聚合物 (Carbon Fiber Reinforced Polymer；CFRP) 和玻璃纤维增强聚合物 (Glass Fiber Reinforced Polymer；GFRP) 制成的混合夹层复合材料的冲击后弯曲行为和失效机制。在
摘要：该研究探讨了由碳纤维增强聚合物 (Carbon Fiber Reinforced Polymer；CFRP) 和玻璃纤维增强聚合物 (Glass Fiber Reinforced Polymer；GFRP) 制成的混合夹层复合材料的冲击后弯曲行为和失效机制。在环境温度和极地低温条件下进行的弯曲试验表明，当在混合复合材料的外侧加入 GFRP 层时，弯曲性能显著提高。该研究利用试验图像阐明了损伤模式，包括复合材料面板中的纤维和基体开裂，以及聚氯乙烯 (Polyvinyl Chloride；PVC) 泡沫芯材中的剪切和脱粘。剩余弯曲性能明显受层压顺序、面板压缩性能、预先存在的冲击损伤和温度条件的影响。研究旨在为未来为北极应用定制的复合材料设计提供基本见解。
一、引言
近年来，随着北极海冰的快速消融，北极地区的航运活动日益频繁，这对材料性能提出了更高的要求。夹层复合材料因其优异的力学性能和轻质特性，在海洋结构中得到了广泛应用。然而，在低温环境下，夹层复合材料的冲击性能会显著下降，这对结构的可靠性和安全性构成了挑战。目前，针对夹层复合材料低温冲击性能的研究主要集中在单一材料体系，例如碳纤维增强聚合物 (CFRP) 夹层复合材料。而混合夹层复合材料，例如 CFRP 和玻璃纤维增强聚合物 (GFRP) 混合夹层复合材料，在低温下的冲击后弯曲行为研究还相对较少。此外，现有的研究多关注未受冲击的样品，而忽略了实际应用中常见的受冲击样品的弯曲性能。
近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇由美国阿克伦大学机械工程系的研究团队完成的有关北极低温下混合泡沫夹芯复合材料的冲击后弯曲行为的研究成果。该研究探究了 CFRP 和 GFRP 混合泡沫芯夹层复合材料在北极低温下的冲击后弯曲行为，并分析了其失效机理，为未来海洋和海军结构的设计提供了重要的参考依据。论文标题为 “Post impact flexural behavior investigation of hybrid foam-core sandwich composites at extreme Arctic temperature” 。
二、研究内容
该研究旨在探究 CFRP 和 GFRP 混合泡沫芯夹层复合材料在北极低温下的冲击后弯曲性能，并分析不同冲击能量、温度和层合配置对其弯曲性能和失效模式的影响。此外，研究还建立了分析模型，预测夹层梁的失效模式和失效载荷，并与实验结果进行对比验证，以期为未来海洋和海军结构的设计提供重要的参考依据。
图 1 (a) 碳纤维占优样品：C, CG & CGCG. (b) 玻璃纤维样品：G, GC & GCGC. (c) 放大视图显示层数和厚度。
图 2 (a) 使用 Instron 5582 机器和低温室进行低温三点弯曲试验的实验装置；(b) 未受冲击 (0J) 样品；
研究制备了不同层合配置的 CFRP 和 GFRP 混合泡沫芯夹层复合材料样品，包括碳纤维优先和玻璃纤维优先两种类型。对样品进行不同能量的冲击测试，模拟实际应用中的冲击损伤。在室温和低温 (-70°C) 条件下对冲击后的样品进行三点弯曲测试，分析其弯曲性能和失效模式。通过观察样品的破坏形态和微观结构，分析了其失效机理。最后，建立了分析模型，预测夹层梁的失效模式和失效力，并与实验结果进行对比验证。
图 3 三点弯曲试验中夹层梁的竞争失效模式：(a) 芯剪切；(b) 面屈服；(c) 压痕；(d) 面皱褶。
结果表明，温度和冲击能量对混合夹层复合材料的冲击后弯曲性能有显著影响。GFRP 层的添加可以有效提高混合夹层复合材料的冲击后弯曲强度和失效应变。混合夹层复合材料在低温下的失效模式主要受泡沫芯的脆化影响，而室温下的失效模式主要受面层的压缩性能影响。分析模型的预测结果与实验结果基本一致，表明该模型可以有效地预测夹层梁的失效模式和失效力。
图4 受 45J 冲击的样品，代表前后面层损坏：(a) C 室温；(b) CG 室温；(c) CGCG 室温；(d) C 低温；(e) CG 低温；
图5 样品的面层和芯材性能退化：(a) 碳纤维占优室温；(b) 碳纤维占优低温；(c) 玻璃纤维占优室温；
图6 室温 0J 样品的微观图像，显示由于面层压缩失效而导致的面层损坏。
三、 小结
该研究结果表明，混合夹层复合材料在北极低温环境下具有良好的冲击后弯曲性能。GFRP 层的添加可以有效提高混合夹层复合材料的冲击后弯曲强度和失效应变。此外，该研究还揭示了温度、冲击能量和材料配置对混合夹层复合材料失效模式的影响，为未来海洋和海军结构的设计提供了重要的参考依据。
原始文献：
Mirza, F., Mack, J. P., Banik, A., Khan, M. H., & Tan, K. T. (2024). Post impact flexural behavior investigation of hybrid foam-core sandwich composites at extreme Arctic temperature. Composites Science and Technology, 258, 110897.
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责任编辑：复小可
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来源：科学探测人
