薄层碳纤维增强树脂基复合材料研究与应用进展*

邱 超，马心旗，王亚震，郭子月，吴海宏

（河南工业大学碳纤维复合材料河南省国际合作实验室，郑州 450001）

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有密度小、力学性能高、设计自由度大、可一体化成型等优点[1-3]，是航空航天等领域实现轻量化、结构功能一体化、减少能源消耗、降低使用成本的关键材料之一[4-5]。在商用飞机制造中，空客A350 XWB的CFRP 总量达到了53%；波音787的CFRP 用量也达到了50%[6]。

复合材料结构件大多由碳纤维单向或编织预浸料，按一定的铺放设计要求，叠合成预期的厚度和形状，经加热，树脂固化将各层粘接为整体而制成[7-10]。从宏观结构组成的角度出发，一定厚度的单层是其基本的组成单元，也是其力学分析的基本单元。尽管各单层的力学性能相同，受其铺层角度影响，层与层之间各向异性行为却有所不同，层间的物理性能不连续，固化过程中易形成层间应力，服役过程中易产生分层损伤[11-17]。如何抑制层合板分层损伤一直是复合材料研究的重要课题之一[18-21]。从微观结构角度出发，CFRP 层合板的相结构由碳纤维与树脂构成，两相的相对量[22-23]、分布状态[24]、形貌及其大小[25-27]、相界面行为[28-30]，是其力学性能的决定性因素[25-27]。介于宏观与微观之间，CFRP 层合板层内纤维的排列结构与树脂富集区分布则为其细观结构尺度。这3 个尺度代表了层合板受载时，载荷从宏观尺度的层间传递、树脂到纤维的连续介质传递以及树脂与纤维脱胶的过程。而单层的厚度既影响层与层之间、树脂与纤维之间力的传递，也影响纤维与树脂形成的界面数量，从而影响层合板内孔隙率、微裂纹分布、层间开裂等内在质量，对复合材料的性能形成重大影响[28-37]。……