【仪表网 研发快讯】纤维增强树脂基复合材料(FRP)是一类应用广泛的工程结构材料，在强度、刚度和耐腐蚀性方面性能优异，目前已被认为是助推海洋强国建设的关键海洋新材料之一。但受其层状结构特征与树脂本征脆性的影响，其沿厚度方向的承载能力较弱，在面外荷载作用下，FRP容易分层而产生灾难性结构失效。因此，提高其层间断裂韧性是研发及应用深海大尺寸复合材料耐压舱所亟待解决的关键问题。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料全国重点实验室纳米复合工程材料团队茅东升研究员和欧云福助理研究员长期致力于纳米增强增韧树脂基复合材料方面的研究工作，已取得一系列研究进展。
近日，该团队提出一种新的“网格结构增韧”概念。研究选用整体连续，局部不连续的网格结构聚酰胺(PA)，通过真空辅助树脂灌注(VARI)工艺一体化复合至玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)层间，热压成型得到PA插层GFRP。通过多种断裂试验和失效分析，阐明了GFRP 的I型(张开型)和Ⅱ型(平面剪切型)层间断裂行为与PA网状插层特征参数之间的相关性。
通过引入PA网格，GFRP的I型和II型层间断裂韧性最高分别提升了109%和69%。这归因于网格状PA的结构增韧效应：PA网格纤维在层间诱导裂纹偏转或引导裂纹传播，进一步激活PA纤维桥接、塑性变形和断裂等增韧机制，具体增韧机制由网格孔隙率、厚度等结构特征参数决定。有趣的是，PA网格呈现出非典型的层间增韧行为。例如，对于有效增韧样品，它们的Ⅰ型测试可被分为两阶段：裂纹稳定传播阶段和裂纹快速发展阶段。在稳定传播阶段，PA网格纤维发挥诱导偏转作用，网格的结构增韧效应被激发，裂纹克服PA纤维的阻碍缓慢传播。然而在快速发展阶段，PA的裂纹引导作用占据主导，插层网格的结构增韧效应难以激活，裂纹沿PA插层-树脂界面迅速传播。分析最终结果，影响PA网格增韧效率的主要因素是网格孔隙率。只有在适当的孔隙率范围内(20%~60%)，PA网格的层间增韧效应才能够被激活。在此前提下，厚度作为次要主导因素，对PA插层复合材料的层间断裂韧性起到正向调节作用。
这一工作探究了新型FRP结构插层体系，对于进一步提升纤维增强复合材料结构的极限承载能力，支撑深海装备取得新突破具有重要意义。相关成果以“Polyamide mesh as an effective toughening interlayer for GFRP composites: insights into fracture behavior and mechanisms”为题，发表于Advanced Composites and Hybrid Materials期刊。宁波材料所直博生张耘箫和硕士生赵红晨为该论文的共同第一作者，欧云福助理研究员和茅东升研究员为共同通讯作者。这项工作得到了浙江省引进培育领军型创新创业团队项目(2021R01005)、“甬江引才工程”—— 宁波市“3315”创新团队项目(2021A-045-C)、中国博士后科学基金项目(2022M713241)和浙江省自然科学基金(LMS25E030002)的支持。
图1 双悬臂梁测试中样品的分层破坏行为示意图
图2 网格状PA插层的特征结构参数与GFRP样品的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性的相关曲线
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