随着航空航天、交通运输、海洋船舶等领域的快速发展，人们对材料结构轻量化及多功能化提出了迫切需求。碳纤维/树脂基复合材料（CFRP）蜂窝结合了纤维增强复合材料和多孔结构的特点，具有轻质，高强，耐腐蚀和尺寸稳定性高等优点。通过胞元构型设计，复合材料蜂窝可进一步实现泊松比可调，负刚度，多稳态，可编程和可重构等功能，是一类极具应用潜力的轻质承载功能一体化力学超材料。但复合材料蜂窝力学超材料的力学性能强烈依赖于其制备方法，传统的工艺很难满足高性能CFRP蜂窝力学超材料的制备要求。因此，亟待提出新的制备技术用于高性能CFRP蜂窝力学超材料的制备，并系统性地开展力学性能研究，为其工程应用提供理论依据和技术支持。
针对上述问题和挑战，西安交通大学秦庆华教授团队提出了新的复合材料蜂窝力学超材料制备工艺，采用理论、实验和数值模拟相结合的方法系统地研究了CFRP蜂窝力学超材料面内压溃行为，这一成果以Fabrication and in-plane compressive collapse of CFRP honeycomb metamaterials为题发表在复合材料领域顶级（TOP）期刊Composites Science and Technology上。
研究团队提出了一种销-槽定位工艺，利用同等质量的单层斜纹编织碳纤维/树脂基预浸料，通过组装、固化、脱模和打磨等工序完成CFRP蜂窝力学超材料的制备（图1-图2）。该制备工艺通过定位模具、定型模具和定位底板的适配性设计可实现多种类型的纤维增强复合材料蜂窝力学超材料的制备，保证了蜂窝的几何精度和界面性能，有效避免了复合材料蜂窝制备过程中存在的固化压力不足、界面性能差，纤维体积含量低、纤维易变形褶皱等问题。
图1 半内凹六边形CFRP蜂窝力学超材料制备装置
图2 半内凹六边形CFRP蜂窝力学超材料制备工艺流程
基于上述方法，研究团队制备了六边形蜂窝和具有零泊松比特征的半内凹六边形蜂窝（图3），开展了两种CFRP蜂窝力学超材料在面内X和Y方向上的准静态压缩实验（图4），发展了用于预测CFRP蜂窝面内压缩模量和初始压溃应力的理论模型。为了进一步揭示CFRP蜂窝的面内压溃损伤演化过程和失效机理，建立了有限元模型并开展了数值仿真计算。
图3 CFRP蜂窝试样的设计,（a）六边形蜂窝和（b）半内凹六方形蜂窝。
图4 CFRP面内压缩实验装置和实验方案
研究结果表明理论预测和数值模拟与实验结果具有良好的一致性。六边形和半内凹六变形CFRP蜂窝在不同方向的面内压缩载荷作用下的应力应变曲线均表现出三阶段特征，即线弹性，平台和密实阶段（图5）；在初始屈服阶段，蜂窝均表现出以胞壁弯曲为主的变形模式；在初始压溃发生后均表现出应力软化现象。
图5 六边形CFRP蜂窝在面内X方向压缩载荷作用下的应力应变曲线和破坏模式
六边形CFRP蜂窝在不同方向的面内压缩载荷作用下均呈现出明显的变形局部化，在线弹性阶段出现V型变形带；随着应变的增加，蜂窝胞壁在应力集中区发生断裂，形成明显的断裂带（图5和图6）。在面内Y方向压缩载荷作用下，半内凹六边形CFRP蜂窝在线弹性阶段主要以整体变形为主，到达初始破坏应力后表现出逐层压溃的破坏模式（图7）；在面内X方向压缩载荷作用下，半内凹六边形CFRP蜂窝发生了明显的变形模式转换，应力应变曲线出现二次应力平台（图8）。力学性能的对比结果显示半内凹六边形CFRP蜂窝在X方向上具有最高的压缩刚度，在Y方向上具有最大的压缩强度；对于同一加载方向而言，半内凹六边形CFRP蜂窝具有比六边形CFRP蜂窝更优异的吸能特性。
图6 六边形CFRP蜂窝在面内Y方向压缩载荷作用下的应力应变曲线和破坏模式
图7 半内凹六边形CFRP蜂窝在面内Y方向压缩载荷作用下的应力应变曲线和破坏模式
图8 半内凹六边形CFRP蜂窝在面内X方向压缩载荷作用下的应力应变曲线和破坏模式
本研究提出了新的纤维增强复合材料蜂窝力学超材料的制备方法，获得了六边形和半内凹六边形CFRP蜂窝在面内两个方向压缩载荷作用下的破坏模式，揭示了其变形损伤机理，发展了用于预测CFRP蜂窝面内压缩模量和初始压溃应力的理论模型，探究了胞元构型和加载方向对蜂窝面内压缩破坏模式和力学性能的影响，研究结果将为CFRP蜂窝力学超材料的设计、制备和应用提供理论指导和技术支持。
论文的第一作者为西安交通大学航天航空学院/复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室博士生王志鹏，通讯作者为西安交通大学秦庆华教授和上海海事大学原媛副教授，合作者包括武汉科技大学张威博士，西安交通大学李剑峰博士和焦金泽硕士。该研究得到了国家自然科学基金、航空科学基金、爆炸科学与技术国家重点实验室（北京理工大学）开放课题等项目的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110888
审核：力学家
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