全碳纤维增强塑料（CFRP）夹层结构的机械性能研究：集成编织蜂窝芯在垂直于平面方向压缩作用下的表现

《Polymer Composites》：Mechanical Performance of All-CFRP Sandwich Structures With Integrated Woven Honeycomb Cores Under Out-Of-Plane Compression

本研究开发了一种全CFRP夹层结构，采用集成编织蜂窝芯解决传统胶合蜂窝芯的内部分层问题。通过多尺度模拟结合实验验证，发现编织蜂窝芯在压缩强度（提升11%）和能量吸收（提升19%）方面显著优于胶合结构，且几何参数（高度、相对密度）对失效模式（屈曲主导型或压溃主导型）有决定性影响。该结构通过消除界面过早分层，使抗压强度接近理论极限值。

　　

摘要

本研究开发了一种全碳纤维增强塑料（CFRP）夹层结构，该结构采用了集成的编织蜂窝芯，以解决传统粘合剂蜂窝设计中普遍存在的内芯脱粘问题。实验中，编织蜂窝芯通过多层编织技术制成，随后采用真空辅助树脂转移成型工艺进行加工；而粘合剂粘结的蜂窝芯则通过热压成型并经过二次粘合剂固化处理制成。对这两种类型的蜂窝结构进行了准静态压缩测试，并利用数字图像相关（DIC）技术对其应力-应变响应、变形行为和失效模式进行了表征。在数值模拟方面，建立了一个多尺度仿真框架，将介观尺度的代表性体积元素（RVE）建模与宏观尺度结构分析相结合，并通过实验应力-应变曲线和损伤形态观察进行了验证。结果表明，在实验条件下，编织蜂窝芯表现出更优异的力学性能，其压缩强度比粘合剂粘结结构高出约11%，能量吸收能力提高了19%。几何参数，尤其是蜂窝芯的高度和相对密度，显著影响了结构从屈曲主导失效模式向压碎主导失效模式的转变。由于消除了过早的界面脱粘现象，编织蜂窝芯的压缩强度更接近理论极限值，尤其是在屈曲主导的失效情况下，其强度优势更为明显。

亮点

• 对全CFRP编织蜂窝结构的压缩行为进行了测试和建模。
• 编织蜂窝芯的强度和能量吸收能力优于粘合剂粘结的蜂窝芯。
• 集成的编织结构完全消除了过早的界面脱粘现象。
• 编织蜂窝芯在先进蜂窝材料中具有较高的比强度。

披露声明

作者特此声明，在本手稿的创作和撰写过程中未使用任何生成式人工智能（AI）工具。所有智力成果均由作者独立完成。

利益冲突

作者声明不存在任何利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可向通讯作者提出合理请求后获取。