关于碳纤维/玄武岩纤维仿生双螺旋复合层压板的多向混合效应及失效机理的研究

《Polymer Composites》：Study on Multidirectional Hybrid Effect and Failure Mechanisms of Carbon/Basalt Fiber Bionic Double-Helicoidal Composite Laminates

碳纤维/玄武岩纤维双螺旋复合材料通过仿生设计研究螺旋角度与混合效应对力学性能的影响，发现小角度层压材料延展性和抗损伤性优异，界面失效是主要破坏模式，数值模拟验证方向因子与分散性的耦合作用。

　　

摘要

纤维混合材料能够获得可调节且更均衡的机械性能（如硬度、强度、延展性等），但由于混合效应的复杂性，关于多方向纤维混合材料设计的研究相对较少。本研究借鉴了腔棘鱼鳞片中的胶原纤维结构以及海海绵的软硬混合系统，设计了碳纤维/玄武岩纤维双螺旋（DH）复合试样。通过拉伸试验和数值模拟研究了螺旋角度及混合效应对碳纤维/玄武岩纤维增强聚合物（HFRP）复合层压板拉伸性能的影响。结果表明，螺旋角度显著影响层压板的拉伸性能，其中正弦旋转角度（SRA）层压板的拉伸模量高于线性旋转角度（LRA）层压板和指数旋转角度（ERA）层压板。旋转角度较小的层压板具有优异的延展性和耐损伤性能。通过微观分析发现，分层和界面失效是DH-HFRP的主要失效模式。利用经过验证的数值模型，对DH-HFRP层压板的力学行为进行了定性研究，结果表明方向因子和纤维分布对其力学性能具有耦合影响。本研究旨在为仿生混合纤维复合材料的研发提供参考。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。