交织W编织物/铝/环氧树脂功能结构材料的编织增强效率与节点响应特性

《Journal of Alloys and Compounds》：Braiding enhancement efficiency and node response characteristics of interpenetrating W braid/Al/Epoxy functional structural materials

钨纤维编织复合材料力学性能优化及层间相互作用研究。采用预成型钨纤维编织骨架浸渍Al/Epoxy能量基体制备功能复合材料，通过控制编织角度（30°/60°）和层数（12层）实现力学性能调控。实验表明纤维体积分数10%时强度提升274.27%，12层60°编织结构动态载荷下屈服强度达191.2MPa，极限强度455.15MPa，显著优于传统纤维增强复合材料。

　　在材料科学领域，功能性结构材料的研发一直是提升材料性能与拓展应用范围的重要方向。这类材料通常结合了多种组分的优势，通过特殊的结构设计实现机械性能、功能特性和加工工艺的协同优化。近年来，随着对高性能材料需求的不断增长，研究者们开始探索将金属纤维与聚合物基体结合的新方法，以期在保持材料延展性的同时显著增强其承载能力。本文所研究的材料是一种新型的多功能结构材料，它通过将铝/环氧树脂（Al/Epoxy）能量型基体材料浸入预先成型的钨纤维编织结构中，形成了一种互穿相复合材料。这种结构设计不仅改善了传统金属纤维掺杂能量材料在负载响应方面的随机性，还为在高负载条件下实现材料承载行为的定制化控制提供了可能，同时扩大了其潜在的应用范围。

钨纤维作为一种高性能的金属纤维，因其高密度、良好的导电性和热稳定性而被广泛应用于需要高强度和耐高温的结构材料中。然而，传统钨纤维增强材料在实际应用中常常面临一些挑战，例如材料在受力过程中的响应不够可预测，以及其机械性能在不同负载条件下表现出较大的波动。这些问题限制了其在一些关键领域的应用，尤其是在需要精确控制材料性能的场景下。因此，研究者们尝试通过引入互穿相结构来改善这些问题。互穿相结构是指在材料内部，两种或多种组分相互交织，形成一种三维网络，从而在保持材料整体性能的同时，增强其力学响应的可控性。

在本研究中，通过将铝/环氧树脂能量型基体材料浸入预先成型的钨纤维编织结构中，形成了一种新型的互穿相复合材料。这种结构设计不仅赋予材料优异的机械性能，还保留了其一定的变形能力，使其在高强度和高能量吸收需求下表现出色。实验结果表明，在固定编织角度的情况下，随着编织层数的增加，材料的压缩破坏强度显著提高，达到12层结构时，其压缩破坏强度达到了128.43 MPa。同样，在动态加载条件下，当应变速率为约26 m/s时，材料的强度也随着编织层数的增加而提升。其中，12层结构的材料在30°编织配置下的屈服强度为177.12 MPa，极限强度为374.93 MPa；而在60°编织配置下，屈服强度为191.20 MPa，极限强度为455.15 MPa。这表明，通过调整编织角度和层数，可以有效优化材料的力学性能。

除了机械性能的提升，这种互穿相结构还带来了材料性能的多样化。例如，研究人员发现，钨纤维的体积分数对材料的性能有重要影响。当钨纤维的体积分数约为10 vol%时，材料的承载能力得到了最大提升，其强度提高了274.27%。这一结果说明，适当的纤维体积分数可以在增强材料强度的同时，避免因纤维含量过高而导致的脆性增加。此外，研究还表明，互穿相结构在一定程度上提高了材料的损伤容限和能量吸收能力，这在高冲击和高应力的应用中尤为重要。

在实验方法上，研究者采用了BFB-B垂直自动编织机来制造所需的几何预制体，通过控制编织角度、编织层数和每层的纱线数量，可以精确调控材料的结构特性。这些参数的选择基于纱线在编织过程中的相对运动，从而确保材料的结构性能符合设计要求。编织角度是影响材料性能的关键因素之一，不同的角度会导致材料在不同方向上的力学响应发生变化。例如，在低速冲击条件下，编织角度越小，材料的力振荡越明显，而在高速冲击条件下，材料的损伤表现则有所不同。通过调整编织角度，可以优化材料在不同工况下的表现，使其更适应实际应用需求。

在理论分析方面，研究者基于Fukuda等人的研究成果，提出了一个用于预测纤维掺杂基体材料性能的模型。该模型通过结合实验数据、数值模拟和机器学习方法，能够较为准确地预测复合材料的性能。研究发现，当输入数据覆盖足够广泛时，这种预测模型展现出良好的通用性，可以应用于多种纤维增强复合材料的性能预测。此外，研究还强调了纤维体积分数、纤维长度以及纤维与基体之间的相互作用对材料性能的重要影响。例如，随着纤维体积分数的增加，材料的强度和刚度都会有所提升，但同时也会导致材料的延展性下降。因此，如何在强度和延展性之间取得平衡，是设计高性能复合材料时需要重点考虑的问题。

在实际应用方面，这种新型的互穿相复合材料展现出广泛的应用前景。例如，在工程结构中，它可用于制造高强度、高韧性且具有能量吸收能力的构件，从而提高结构的安全性和稳定性。此外，在人工智能和人机交互等新兴领域，这种材料也因其优异的机械性能和可调控的特性而受到关注。研究人员指出，随着材料科学的发展，尤其是增材制造和人工智能技术的进步，复合材料的种类和性能已经得到了显著扩展。然而，目前关于高强度金属纤维增强复合材料的研究仍相对较少，特别是在钨纤维增强复合材料方面，仍缺乏系统的实验和理论分析。

本研究的创新点在于，首次系统地研究了钨纤维编织结构与铝/环氧树脂能量基体材料的互穿相复合结构，并通过实验和理论分析揭示了其在不同加载条件下的力学响应特性。研究结果表明，这种结构不仅能够显著提高材料的承载能力，还能在保持一定变形能力的同时，增强其对高冲击和高应力的耐受性。这为未来开发具有多功能特性的结构材料提供了新的思路和方法。同时，研究还发现，这种复合材料在不同编织角度下的表现存在差异，这为优化材料设计提供了重要的理论依据。

此外，研究还指出，互穿相结构在提高材料性能的同时，还具有良好的加工适应性。由于其结构的特殊性，这种材料可以在一定程度上满足复杂形状和结构的需求，这使得它在航空航天、汽车制造和电子封装等领域具有潜在的应用价值。同时，研究还强调了材料的可持续性和环保性，这在当前材料科学的发展趋势中尤为重要。通过合理设计和优化材料结构，可以在提高性能的同时减少资源浪费，实现材料的高效利用。

综上所述，本研究通过将铝/环氧树脂能量基体材料浸入钨纤维编织结构中，成功制备了一种具有优异机械性能的互穿相复合材料。这种材料在不同加载条件下表现出良好的承载能力和变形能力，其性能的提升主要得益于编织结构的优化和纤维体积分数的合理控制。研究结果不仅为开发新型多功能结构材料提供了理论支持，也为相关领域的应用拓展奠定了基础。未来，随着材料科学和工程技术的进一步发展，这种互穿相复合材料有望在更多领域中得到应用，推动高性能材料的创新与进步。