《Polymer》：Enhancing the impact resistance and damage tolerance of 3D fibre-reinforced thermoplastic composites through tri-block copolymers matrix toughening
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三维纤维增强复合材料（3D-FRCs）的冲击韧性与损伤容限研究。通过添加10%、15%、20%的TBC（三嵌段共聚物）改性环氧树脂基体，分析30J、60J、90J低速冲击（LVI）及压缩_after_冲击（CAI）性能。结果表明：15% TBC的3D-FRCs在30J冲击下峰值力提升7.5%，变形降低11%；60J冲击下峰值力提高14%。CAI测试显示15% TBC组压缩强度最高。SEM显示TBC颗粒均匀分散及界面应力重分布机制，改善脆性断裂向塑性屈曲转变。分隔符：
S.M. Hussnain|S.Z.H. Shah|M.Z. Hussain|P.S.M. Megat-Yusoff|Syed Zahid Hussain
马来西亚霹雳州Seri Iskandar 32610，PETRONAS理工大学机械工程系
摘要
提高纤维增强复合材料（FRCs）的冲击耐受性和抗损伤能力对于确保其在先进结构应用中的耐用性和可靠性至关重要。为此，本研究探讨了三嵌段共聚物（TBC）对树脂浸渍3D-FRCs在低速冲击（LVI）和冲击后压缩（CAI）性能的影响。热塑性树脂（Elium?）通过添加不同比例的TBC（10%、15%和20%）进行了改性。未经改性和添加TBC的3D-FRCs分别承受了30 J、60 J和90 J的冲击能量，随后进行了CAI测试以评估其抗损伤能力。LVI结果表明，添加15% TBC的复合材料在30 J时峰值力提高了7.5%，变形减少了11%；在60 J时峰值力提高了14%。这种增强效果归因于TBC颗粒的均匀分散和可控的聚集，从而改善了应力分布。CAI测试显示，添加15% TBC的复合材料在冲击后的压缩强度显著提高。场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像显示，改性复合材料中存在聚集和残留的TBC颗粒，证实了它们对断裂行为的影响。SEM图像进一步表明，未经改性的复合材料表现出脆性的层间和层内裂纹，而添加TBC的复合材料则表现出相对延性的塑性弯曲和弯曲带形成，表明基体的延展性和能量吸收能力得到了提升。本研究展示了TBC在提高基体韧性方面的潜力，并为开发耐冲击结构复合材料提供了指导。
引言
复合材料的出现由于其优异的机械性能，显著改变了航空航天、汽车和海洋工业[1]、[2]、[3]。其中，热固性树脂基复合材料因其高强度、与传统制造工艺的兼容性以及出色的热稳定性而被广泛使用[4]。然而，尽管具有这些优势，热固性复合材料在垂直于平面的性能（尤其是抗冲击性和抗损伤能力）方面存在显著局限。在冲击载荷下，大部分能量被用于引发和传播损伤机制，这些机制通常从基体裂纹开始，随后是层间脱层和纤维断裂[5]、[6]、[7]。为了解决纤维增强聚合物复合材料的这些固有局限，文献中探索了几种提高其韧性和抗损伤能力的技术。
提高纤维增强聚合物复合材料韧性的策略主要集中在四个关键方面：(a)调整织物结构，例如三维增强或使用z型纤维固定来控制应力分布[8]、[9]、[10]；(b)通过纱线间和层内混合来增强能量吸收[11]、[12]、[13]；(c)应用表面改性技术来增强纤维-基体界面粘附[14]；(d)通过添加纳米填料或弹性剂来改性基体，以提高断裂韧性[15]、[16]、[17]。其中，通过添加纳米填料或弹性剂来改性基体在提高抗裂纹能力方面显示出有希望的结果[18]。最近，一些研究人员提出将纳米颗粒或三嵌段共聚物加入热固性基体中，以增强其强度，从而降低脱层风险[19]、[20]、[21]、[22]。提高聚合物基体的韧性对于防止脱层至关重要，因为这种损伤通常是通过基体裂纹的扩展和桥接发生的[23]、[24]、[25]、[26]。Hosseini等人[27]研究了添加1%和2%石墨烯纳米颗粒（GNPs）的E-玻璃/环氧复合材料冲击和抗损伤能力，发现抗冲击能力分别提高了56%和78%。这些改进归因于韧性的提高，表现为微裂纹的抑制和纤维-基体界面粘合力的改善。Hu等人[28]发现，向碳纤维复合材料中添加GNPs对抗冲击能力没有显著改善，但与未增强的复合材料相比，CAI强度提高了37%。
由于热塑性基体的固有特性，将纳米颗粒加入热塑性复合材料中成为进一步提高其抗冲击性和抗损伤能力的一种有前景的策略。一些研究人员已经证明，用TBC改性基体是提高热塑性复合材料韧性和抗损伤能力的一种有效方法。Kouassi等人[29]在双向玻璃纤维增强热塑性复合材料中添加了最多10%的TBC，与未经改性的热塑性复合材料相比，峰值载荷提高了4%，抗冲击能力也得到了提升。这种改进归因于橡胶状的TBC相，它通过延迟基体裂纹和纤维-基体脱粘来促进能量耗散。类似地，Kinvi-Dossou等人[30]研究了添加两种纳米增强颗粒的双向玻璃/热塑性复合材料的冲击响应，与未增强的复合材料相比，抗冲击能力提高了29%。Boumbimba等人[31]用最多15%的TBC改性热塑性树脂，并用双向玻璃纤维进行增强，抗冲击能力提高了24%。
尽管许多研究人员研究了纳米颗粒添加对FRCs抗冲击能力的影响，但现有文献中仍存在一些局限性。首先，大多数研究集中在将纳米颗粒与热固性（环氧）树脂系统混合以评估树脂的增强效果，对热塑性基体的关注较少。其次，对热塑性复合材料的冲击响应主要是在TBC含量不超过15%的情况下进行的。第三，尽管贯穿厚度的增强在提高冲击性能方面起着关键作用，但涉及3D-FRCs的研究明显不足。我们之前的研究[32]表明，3D织物的粗编织结构使得可以添加最多20%的TBC颗粒，从而进一步改善了弯曲性能。然而，更高比例的TBC对3D-FRCs的抗冲击能力和抗损伤能力的影响尚未得到探索。
鉴于上述不足，本研究旨在全面分析增加TBC含量对热塑性复合材料失效机制、抗冲击能力和抗损伤能力的影响。首先，制备了含有不同比例TBC（10%、15%和20%）的热塑性树脂系统。其次，使用这些TBC颗粒制备了3D-FRCs，并在三个能量水平（30J、60J和90J）下进行了低速冲击（LVI）测试。第三，对受冲击的样品进行了冲击后压缩（CAI）测试，以评估TBC含量对复合材料抗损伤能力的影响。最后，使用扫描电子显微镜（SEM）检查了TBC增强3D-FRCs的损伤模式和失效机制。此外，本研究提供了关于TBC增强在提高3D热塑性复合材料抗冲击能力和冲击后性能方面的有效性见解，具有在航空航天、汽车和海洋工业中用于高性能结构组件的潜在应用。
章节片段
材料
在本研究中，使用液态高冲击等级的热塑性树脂Elium? 188 O和Nanostrength? M53制备了树脂浸渍的热塑性TBC增强3D-FRCs。这两种材料均来自法国的Arkema公司。Nanostrength?是一种对称的三嵌段共聚物（TBC），由一个丁基丙烯酸酯中心块和两个甲基丙烯酸甲酯侧块组成。Elium?、过氧化苯甲酰和TBC的性质在表1中总结。
落锤冲击测试
评估了树脂韧性对TBC增强热塑性3D-FRC抗冲击能力的影响，并与未经改性的热塑性3D-FRC进行了比较，比较了力-位移、力-时间和抗冲击能力（损伤面积）响应。此外，还进行了全面的宏观损伤分析，以阐明树脂韧性对热塑性3D-FRCs损伤机制的影响。
结论
本研究全面探讨了三嵌段共聚物（TBC）颗粒对热塑性树脂浸渍3D纤维增强复合材料（3D-FRCs）抗冲击能力和抗损伤能力的影响。通过在聚合物基体中添加10%、15%和20%的TBC制备了3D-FRCs，并在30J、60J和90J的不同冲击能量下与未经改性的样品进行了比较。在30J的冲击能量下，添加15% TBC的复合材料峰值力提高了7.5%
CRediT作者贡献声明
S.Z.H. Shah：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，方法学，研究，概念化。Syed Muhammad Hussnain：撰写 – 原稿，可视化，验证，研究，数据管理。P.S.M. Megat-Yusoff：监督，资源获取。Mirza Zahid Hussain：资源，方法学，研究。Syed Zahid Hussain：资源
利益冲突声明
?作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：我声明没有利益冲突需要披露。
