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复合材料因其优异的性能在航空航天、能源、汽车和海洋结构等领域应用广泛，但其韧性不足限制了其应用范围。为了提高复合材料的韧性，研究人员开展了大量的研究，其中仿生复合材料为提高韧性提供了新的思路，硬软层结构是一种有效的策略。目前，层状结构已经广泛应用于复合材料结构中，研究表明软层可以限制裂纹扩展并提高韧性。然而，关于层状结构设计对复合材料层间韧性和自修复性能的影响的研究仍然不足。
近日，《Composites: Part A》期刊发表了一篇由南方科技大学力学与航空航天工程系和南方科技大学连续碳纤维增强复合材料智能制造深圳重点实验室，香港科技大学机械与航空航天工程系的研究团队完成的有关提高硬
软层状复合材料层间韧性和自修复能力的研究成果。该研究通过实验验证了 EMAA 在提高硬软层状复合材料层间韧性和自修复能力方面的有效性，并为层合板设计提供了新的策略，具有重要的工程应用价值。论文标题为“Interlaminar toughening and self-healing mechanism for hard-and-soft layered composite laminates”。
该研究通过实验验证了 EMAA 在提高硬软层状复合材料层间韧性和自修复能力方面的有效性。研究人员设计了三种类型的硬软层状复合材料层合板，包括碳纤维增强塑料（CFRP）和玻璃纤维增强塑料（GFRP），并测试了其层间韧性和自修复性能。
三种类型的硬软层状复合材料层合板的设计如下：
类型 A：在层合板的中间层放置 EMAA 薄膜。
类型 B：将 EMAA 薄膜插入两层干纤维织物之间，并通过热压将其粘合在一起。
类型 C：将 EMAA 薄膜与干纤维织物混合，并通过热压将其粘合在一起，然后将层板放置在层合板中间层附近。
研究人员使用双悬臂梁（DCB）测试来评估层合板的层间韧性，并使用加热加压方法来评估层合板的自修复性能。
图 1 海绵 Euplectella Aspergillum 的骨骼系统结构示意图：（a）整体结构；（b）网格结构细节；（c）刺微结构，显示纤维复合材料结构；（d）典型刺横截面的层状结构，包括生物二氧化硅硬无机层和硅酸盐软有机层；（e）层状结构的层间断裂，有机层损坏，裂纹主要在相邻无机层之间的有机层中扩展。
图 2 三种复合材料层合板的制备示意图：（a）干纤维织物和基体；（b）手工铺设过程和固化；（c）后固化过程；（d）结构配置。
图 3 DCB 试样和测试：（a）材料和试样尺寸；（b）DCB 测试装置。
该研究表明，三种类型的硬软层状复合材料层合板都具有比基线层合板更高的层间韧性。类型 B 层合板的层间韧性提高最为显著，达到 605.0%。
三种类型的硬软层状复合材料层合板都具有自修复能力。类型 A 层合板的修复效率最高，达到 65.6%。类型 B 层合板的修复效率也很高，达到 96.0%。
研究人员通过扫描电子显微镜（SEM）观察了层合板的断裂表面，并分析了其损伤和修复机制。结果表明，EMAA 桥接是提高层间韧性的主要因素。除了 EMAA 桥接之外，EMAA/环氧树脂脱粘、EMAA/纤维脱粘、纤维/环氧树脂脱粘和纤维断裂也是主要的损伤模式。
图4 类型 A GFRP 层合板的损伤行为：（a）裂纹扩展；（b）和（c）原始试样的 SEM 照片；（d）和（e）第一次修复试样的 SEM 照片。
图5 类型 B GFRP 层合板的损伤行为：（a）裂纹扩展过程；（b）和（c）原始试样和第一次修复试样的裂纹表面 SEM 照片。
图6 类型 C GFRP 层合板的断裂照片：（a）和（c）原始试样和第一次修复试样的 EMAA 桥接；（b）和（d）原始试样和第一次修复试样的裂纹 SEM 照片。
图 7 所有类型配置的界面损伤行为和机制的总结：（a）类型 A-CFRP；（b）类型 A-GFRP；（c）类型 B-CFRP；（d）类型 B-GFRP；（e）类型 C-CFRP；（f）类型 C-GFRP。
该研究通过实验研究了三种不同配置的碳纤维和玻璃纤维增强塑料层压板中聚(乙烯-co-甲基丙烯酸) (EMAA) 间层的增韧和自修复行为，结果表明 EMAA 间层能有效提高层间韧性并消除不稳定的裂纹扩展。研究揭示了不同配置和纤维对层间增韧和自修复行为的影响，为实际应用中复合材料层压板的设计提供了理论依据。
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