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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(wǎng)格結構增韌”概念。研究選用整體連續(xù)，局部不連續(xù)的網(wǎng)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(wǎng)狀插層特征參數(shù)之間的相關性。
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的結構增韌效應：PA網(wǎng)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(wǎng)格孔隙率、厚度等結構特征參數(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)揮誘導偏轉作用，網(wǎng)格的結構增韌效應被激發(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的裂紋引導作用占據(jù)主導，插層網(wǎng)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(wǎng)格增韌效率的主要因素是網(wǎng)格孔隙率。只有在適當?shù)目紫堵史秶鷥?nèi)（20%~60%），PA網(wǎng)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(jié)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。
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插層的特征結構參數(shù)與GFRP樣品的Ⅰ型和Ⅱ型層間斷裂韌性的相關曲線