《Journal of Materials Science & Technology》：Influence of Lightweight Pumice on Low Velocity Impact Response of Carbon Fiber Reinforced Pumice Epoxy Core Sandwich Composites
编辑推荐：
本研究针对夹层结构在低速冲击下易产生隐性损伤、难以检测且影响安全性的问题，开展了轻质浮石增强碳纤维/环氧树脂夹层复合材料的低速冲击（LVI）响应研究。通过调控浮石含量（0、3、6、9 wt.%），发现6 wt.%浮石含量的复合材料（CP-6）能量吸收最高（31.65 J），比未添加浮石的CP-0提升138%，且冲击后压缩强度（CAI）达39 MPa。该研究为开发轻质高抗冲击复合材料提供了新思路，在航空航天、交通运输等领域具有应用前景。
在追求轻量化和高性能材料的今天，夹层结构复合材料因其优异的比强度和刚度，在航空航天、交通运输和运动器材等领域备受青睐。这类材料通常由两层坚硬的面板（如碳纤维增强聚合物，Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）和中间一层轻质芯材（如泡沫或蜂窝结构）组成。然而，一个长期存在的挑战是，夹层结构在服役过程中容易受到低速冲击（Low Velocity Impact, LVI），例如工具的意外掉落或小物体的碰撞。这种冲击可能不会在材料表面留下明显的痕迹，但内部却会产生基体开裂、纤维断裂、分层等隐性损伤。这些“内伤”会严重削弱材料的承载能力，特别是其抵抗压缩载荷的能力，即冲击后压缩（Compression After Impact, CAI）强度，从而对结构的安全性和可靠性构成潜在威胁。传统的芯材，如金属泡沫或蜂窝结构，虽然在能量吸收方面表现良好，但其制备工艺复杂、成本较高，且可持续性方面存在不足。因此，开发新型、轻质、高能量吸收且环境友好的芯材成为复合材料研究的一个重要方向。
在此背景下，天然浮石作为一种轻质、多孔、可持续的火山岩材料，进入了研究人员的视野。浮石的低密度特性有助于实现材料的轻量化，而其多孔结构则预示着良好的能量吸收潜力。将浮石颗粒作为增强体引入聚合物基芯材中，有望在减轻重量的同时，显著提升夹层复合材料的抗冲击性能和损伤容限。为了验证这一设想，由Imran Ibrahim Shaikh、Kiran Shahapurkar、Kiran MC、Venkatesh Chenrayan、Panneerselvam Natarajan、Vineet Tirth、Ali Algahtani、Amir Arabi、Vijayabhaskara Rao Bhaviripudi、Vasudevan Venkatachalam、Manzoore Elahi M Soudagar、Andrey Pisarev、Muhammad Nasir Bashir、Joon Sang Lee和Shekhar Singh组成的研究团队开展了一项深入研究，系统探讨了轻质浮石对碳纤维增强浮石/环氧树脂芯材夹层复合材料低速冲击响应的影响。相关研究成果发表在《Journal of Materials Science》上。
为开展此项研究，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，他们从埃塞俄比亚阿瓦什河流域采集天然浮石，并利用粒度分析仪（CILAS 1064 Liquid）测定其平均粒径约为62.44 μm。接着，采用开模铸造法制备了四种不同浮石含量（0、3、6、9 wt.%）的环氧树脂芯材，并使用闭模成型工艺与碳纤维面板结合，制成总厚度为4 mm的夹层复合材料。通过阿基米德原理（ASTM D792标准）测量了复合材料的实验密度和孔隙率。低速冲击测试在符合ASTM D7136标准的落锤冲击试验机（Imatek 1M10）上进行，以评估材料的能量吸收能力和损伤机制。冲击测试后，利用万能试验机（ZO20 Zwick Roell）进行冲击后压缩测试，以测定残余压缩强度。采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM， Carl Zeiss Sigma 300）观察冲击后压缩试样的断口形貌，分析损伤机理。最后，利用ANSYS Workbench有限元分析软件建立了夹层复合材料的3D模型，模拟其在低速冲击下的变形和应力分布，以验证实验结果。
3.1. 粒度分析
研究人员对所使用的浮石颗粒进行了粒度分析。结果显示，浮石颗粒的加权平均尺寸约为62.44 μm。粒度分布曲线在63.55 μm处呈现一个明显的窄峰，表明颗粒尺寸分布较为集中，颗粒群体相对均匀，这有利于在复合材料中获得均匀的分散效果。
3.2. 密度
密度测量结果表明，随着浮石含量的增加（从0 wt.%到9 wt.%），夹层复合材料的实验密度逐渐下降。CP-9复合材料的密度比CP-0降低了约7%，CP-6和CP-9复合材料的密度甚至低于水，显示出显著的轻量化效果。同时，所有复合材料的孔隙率都维持在较低水平（CP-9最高为2.31%），说明所采用的制备工艺能够有效实现各组分的均匀混合，缺陷较少。
3.3. 力-位移曲线
通过分析力-位移曲线，研究人员发现，所有复合材料在冲击过程中，位移随着冲击载荷的波动而增加，并在峰值载荷处出现显著变化。随着浮石含量增加至6 wt.%（CP-6），复合材料表现出最大的位移，表明其具有更强的冲击阻力。这归因于多孔且柔性的浮石增强环氧树脂芯材能够发生渐进式压溃变形，吸收更多能量，并将载荷从断裂应变较低的碳纤维面板有效地传递到芯材。
3.4. 力-时间曲线
力-时间曲线揭示了冲击过程中载荷的变化。含有3 wt.%和6 wt.%浮石的复合材料（CP-3, CP-6）在达到最大冲击力时（分别为19.52 kN和19.74 kN）波动较小，而CP-0（5.88 kN）和CP-9（5.18 kN）的曲线波动较大。这表明适量的浮石添加（最高6 wt.%）提高了复合材料抵抗冲击载荷和损伤恢复的能力，而过量添加（9 wt.%）可能导致颗粒团聚，削弱了界面结合，从而降低了抗冲击性能。
3.5. 能量吸收
能量-时间曲线是评估材料抗冲击性能的关键。研究表明，CP-6复合材料吸收了最高的能量，达到31.65 J，相较于CP-0（13.27 J）提升了138%。CP-3复合材料的能量吸收为24.69 J，提升了86%。而CP-9复合材料的能量吸收则急剧下降至8.83 J，甚至低于CP-0。这表明存在一个最佳的浮石含量（6 wt.%），此时多孔浮石颗粒能有效衰减冲击力，通过自身变形和摩擦吸收能量。当含量过高时，团聚现象导致界面结合变差，能量吸收机制失效。
3.6. 冲击后压缩
冲击后压缩测试用于评估材料在受损状态下的剩余强度。结果令人惊讶：尽管CP-9的LVI能量吸收最低，但其CAI强度却最高，达到43 MPa。CP-0, CP-3, CP-6的CAI强度分别为31, 35, 39 MPa。CP-6和CP-9相比CP-0分别提升了26%和39%。分析认为，CAI强度更依赖于受损芯材的残余刚度和其抵抗面板屈曲的能力。CP-9芯材在冲击后可能发生了局部脆性断裂和浮石致密化，保留了较高的刚度，从而在压缩载荷下能更好地支撑面板，表现出更高的CAI强度。
3.7. 扫描电子显微镜照片
扫描电子显微镜观察为上述性能差异提供了微观解释。CP-0的断口显示芯材与面板界面处存在明显的分层和条纹，表明界面结合较弱。CP-3和CP-6则显示出更好的界面结合和芯材完整性，浮石的多孔结构有助于能量吸收和塑性变形。CP-9的微观形貌显示出局部脆性断裂和致密化特征，这解释了其低能量吸收但高残余刚度的原因。
4. 数值模拟
利用ANSYS Workbench进行的有限元分析模拟了低速冲击过程。变形云图显示，CP-0的变形最大，CP-3和CP-6次之，CP-9的变形最小。冯·米塞斯应力分布表明，CP-9构型下的等效应力显著低于其他组别。模拟结果与实验观察一致，验证了CP-9复合材料在较高载荷下表现出更高的刚度和更好的应力分布能力，这与其较高的CAI强度相吻合。
综上所述，本研究系统探讨了轻质浮石对碳纤维/环氧树脂夹层复合材料性能的调控作用。研究得出结论，浮石的加入能有效降低复合材料密度，实现轻量化。在低速冲击性能方面，存在一个最佳的浮石含量（6 wt.%），此时复合材料能吸收最多的冲击能量（31.65 J），比未添加浮石的材料提升138%。然而，冲击后压缩强度则随着浮石含量的增加而持续提高，CP-9表现出最高的CAI强度（43 MPa）。这表明材料的LVI能量吸收机制和CAI强度机制并不完全一致，为不同应用场景（侧重抗冲击性或侧重损伤后剩余强度）的材料设计提供了选择依据。扫描电镜分析和数值模拟进一步从微观结构和力学响应角度证实了这些宏观性能差异的内在原因。
这项研究的意义在于，它成功地将天然、可持续的浮石资源应用于高性能夹层复合材料的开发中，为实现材料轻量化、高抗冲击性和良好损伤容限的协同提升提供了一条可行的技术路径。所制备的CP-6复合材料在轻量性（密度低于水）和能量吸收性（高LVI吸收能）方面取得了良好平衡，而CP-9复合材料则展现出优异的损伤后剩余强度，这对于要求高安全边际的结构部件具有重要意义。该工作不仅深化了对浮石增强复合材料力学行为的理解，也为未来在航空航天、汽车轻量化、防护装备等领域的应用奠定了实验和理论基础。当然，研究也指出，过高的浮石含量（9 wt.%）会导致能量吸收性能下降，提示在实际应用中需谨慎优化填料比例。未来的研究可进一步探索浮石表面改性、芯材结构优化以及在不同冲击能量和温度环境下的性能表现，以推动这类绿色复合材料走向实际应用。
