《Composites Part A》薄层聚合物复合材料——最小厚度0.02mm

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文章介绍了“拉伸纤维”薄层技术的应用，该技术能够制备出厚度仅为0.02毫米的复合材料铺层。随着层压板厚度范围的扩大，理解厚度对力学性能的影响变得尤为重要。

文章探讨了层压板厚度和层压板均匀性对单向层压板微观结构的影响，回顾了层压板厚度缩放对复合层压板力学性能的影响。并介绍了薄层复合材料制造、设计和应用方面的最新进展，以及其在新型工程复合材料层压板中的应用。

薄层不仅能够提高复合材料层压板的平面强度和设计灵活性，还能够增强主要结构的性能，例如由剩余强度和损伤容限要求驱动的应用。这可以通过将薄层与现有的材料技术相结合，或通过新颖的设计原则来实现。此外，薄层为多功能优化和采用更高效的制造技术提供了更大的灵活性，在概念设计和详细设计以及操作过程中具有巨大的节省重量和降低成本的潜力。

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一、引言

随着薄层增强材料技术的发展，复合材料的层厚可以降至 0.020毫米。这种材料厚度范围的扩展使得理解层厚对层合板机械性能的影响变得尤为重要，过去的研究主要集中在理解层厚度缩放对复合材料层合板机械响应的影响，但大多数研究都局限于层厚至少为 0.125 毫米的缩放。此外，现有的研究主要关注单向层合板，而薄层增强材料技术可以应用于更复杂的层合结构。

2020年，《Composites Part A》期刊发表了一篇由葡萄牙波尔图大学、英国贝尔法斯特女王大学的研究团队完成的有关薄层聚合物复合材料的研究成果。该论文全面回顾了层厚对单向层合板和多层复合材料的微观结构和力学性能的影响，并探讨了薄层增强材料在制造、设计和应用方面的最新进展。论文标题为“Thin-ply polymer composite materials: A review”。

二、 内容简介

1. 层厚度和层均匀性对单向复合材料的影响

薄层厚度对单向复合材料层间剪切强度和层间断裂韧性的影响相对较小，主要原因是薄层厚度对层间应力分布的影响超过了对微观结构的影响。此外，该文章还强调了薄层复合材料在抑制分层和基体开裂方面的重要作用，以及其对冲击响应和损伤容限的影响。

（1）层内材料性能

薄层厚度对单向复合材料的弹性模量和强度没有显著影响，但在纵向压缩强度方面表现出显著提升。这是由于薄层结构更加均匀，减少了纤维微观不稳定性导致的早期压缩破坏。

（2）层间材料性能

薄层复合材料的层间剪切强度和层间断裂韧性都得到了提高，这是由于微观结构更加均匀，层间树脂富集区域更小。

2.层厚对复合材料层压板的影响

该文章探讨了层厚对多层复合材料的各种性能的影响。主要内容包括：

基体开裂和原位效应

薄层复合材料在层间应力分布方面表现出显著的厚度效应，称为原位效应。邻近层对嵌入层产生约束作用，降低了基体可用的弹性能量，并延迟了损伤传播。

分层

薄层增强材料可以抑制分层的发生和扩展，从而提高层合板的损伤容限。

纤维失效模式

薄层厚度对纤维断裂韧性和裂纹扩展行为有显著影响，这取决于测试方法和层间损伤机制。并讨论了不同测试方法（如紧凑拉伸/压缩试样、带缺口的试样和尺寸效应法）对结果的影响。

尺寸效应

文章探讨了层合板尺寸对强度和断裂韧性的影响，并分析了不同尺寸效应（如未打孔试样和带孔试样的尺寸效应）的影响因素。薄层复合材料对尺寸效应更加敏感，特别是在存在应力集中的情况下。适当的分层设计可以减轻尺寸效应的影响。

疲劳

文章分析了层厚度对复合材料层合板在疲劳载荷下的响应和疲劳寿命的影响，指出薄层增强材料可以抑制分层和基体开裂等损伤机制，从而提高疲劳寿命。

承载强度

薄层增强材料可以降低层内剪切应力，从而提高承载强度。

环境暴露

薄层复合材料对温度和环境影响的敏感性较低，可以用于极端环境应用。

雷电冲击抵抗和其他多功能性能

薄层复合材料具有较低的导电性和较高的剩余强度，可以提高抗雷电损伤能力。

3. 薄层增强材料在制造和设计中的优势

（1）层厚度均匀性

薄层结构的均匀性可以改善纤维分布和树脂富集程度，从而提高复合材料的力学性能和表面质量

（2）层合板设计、均质化和混合

薄层技术可以扩展层压板设计的空间，并简化制造过程，例如连续堆叠和不对称设计。

（3）分析

薄层增强材料可以简化层合板的力学分析，因为薄层增强材料具有良好的均质性和损伤容限能力。

三、 总结

该研究全面回顾了层厚对复合材料层合板机械性能的影响，并探讨了薄层增强材料在提高复合材料性能方面的潜力。文章指出，薄层增强材料不仅可以提高复合材料层合板的强度和设计灵活性，还可以增强其主要结构应用的性能，例如基于剩余强度和损伤容限要求的性能。文章还强调了薄层增强材料在多功能优化和采用更高效的制造技术方面的潜力，这有望在概念设计、详细设计和操作过程中实现重量和成本的显著降低。

原始文献：

Arteiro, A., Furtado, C., Catalanotti, G., Linde, P., & Camanho, P. P. (2020). Thin-ply polymer composite materials: A review. Composites Part A, 132, 105777.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.105777

责任编辑：复小可

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