【儀表網 研發快訊】纖維增強樹脂基復合材料(FRP)是一類應用廣泛的工程結構材料，在強度、剛度和耐腐蝕性方面性能優異，目前已被認為是助推海洋強國建設的關鍵海洋新材料之一。但受其層狀結構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，FRP容易分層而產生災難性結構失效。因此，提高其層間斷裂韌性是研發及應用深海大尺寸復合材料耐壓艙所亟待解決的關鍵問題。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋關鍵材料全國重點實驗室納米復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“網格結構增韌”概念。研究選用整體連續，局部不連續的網格結構聚酰胺(PA)，通過真空輔助樹脂灌注(VARI)工藝一體化復合至玻璃纖維增強樹脂基復合材料(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網狀插層特征參數之間的相關性。
通過引入PA網格，GFRP的I型和II型層間斷裂韌性最高分別提升了109%和69%。這歸因于網格狀PA的結構增韌效應：PA網格纖維在層間誘導裂紋偏轉或引導裂紋傳播，進一步激活PA纖維橋接、塑性變形和斷裂等增韌機制，具體增韌機制由網格孔隙率、厚度等結構特征參數決定。有趣的是，PA網格呈現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：裂紋穩定傳播階段和裂紋快速發展階段。在穩定傳播階段，PA網格纖維發揮誘導偏轉作用，網格的結構增韌效應被激發，裂紋克服PA纖維的阻礙緩慢傳播。然而在快速發展階段，PA的裂紋引導作用占據主導，插層網格的結構增韌效應難以激活，裂紋沿PA插層-樹脂界面迅速傳播。分析最終結果，影響PA網格增韌效率的主要因素是網格孔隙率。只有在適當的孔隙率范圍內(20%~60%)，PA網格的層間增韌效應才能夠被激活。在此前提下，厚度作為次要主導因素，對PA插層復合材料的層間斷裂韌性起到正向調節作用。
這一工作探究了新型FRP結構插層體系，對于進一步提升纖維增強復合材料結構的極限承載能力，支撐深海裝備取得新突破具有重要意義。相關成果以“Polyamide mesh as an effective toughening interlayer for GFRP composites: insights into fracture behavior and mechanisms”為題，發表于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軍型創新創業團隊項目(2021R01005)、“甬江引才工程”—— 寧波市“3315”創新團隊項目(2021A-045-C)、中國博士后科學基金項目(2022M713241)和浙江省自然科學基金(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 網格狀PA插層的特征結構參數與GFRP樣品的Ⅰ型和Ⅱ型層間斷裂韌性的相關曲線
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