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薄层复合材料虽能进一步提升复合材料的设计空间，但其冲击损伤特性尚不明确。针对薄层复合材料的冲击损伤行为已有一定的文献报道。然而与准静态拉压力学性能相比，薄层复合材料的冲击损伤行为更为复杂，导致丝束减薄对抗冲击性能的影响规律不明确。基于上述内容，太原理工大学的曹勇及西北工业大学的张超在《航空学报》发表了题为“薄层复合材料冲击损伤行为研究进展”的文章，作者针对薄层复合材料冲击损伤行为的研究进展进行了综述，梳理了现有文献对薄层复合材料冲击失效模式、损伤分布规律等行为的认识，总结了薄层复合材料抗冲击设计中应考虑的关键问题，力求为深入理解薄层复合材料损伤机制和确定可靠的结构安全设计准则提供参考。
文中首先按照展宽减薄丝束采用的不同的工艺对薄层复合材料进行了分类：
（1）薄层单向带复合材料。与传统单向带复合材料形式类似，单层厚度显著降低。由于在厚度方向可铺设层数更多，进而可充分地发挥复合材料的可设计性。
（2）经编多轴向（NFC）织物。也称为非/无屈曲织物，本质上为一种针织物，其将多个单一方向的纤维束沿厚度方向针织在一起，使用时直接整体铺放，具有对增强体力学性能的影响较小且使用成本低的优点。
（3）展宽机织复合材料。可减少机织纤维束的波动和富树脂区，有利于成型过程中纤维束的浸润，提高纤维体积含量。但因减薄后的丝束宽度显著增加，限制了其在复杂纺织物形式上的应用，因此当前市面上的薄层纺织物增强体主要为NFC织物和机织物这两类材料。其织物特征如图1所示：
图1 纤维丝素展宽示意图及典型薄层纺织结构
表１总结了薄层复合材料低速冲击损伤行为试验研究进展及其主要研究结论，文中梳理了现有文献对薄层复合材料冲击失效模式、损伤分布规律等行为的认识：
表１ 薄层复合材料冲击损伤行为试验研究汇总
（1）低速冲击失效特征。近些年对薄层复合材料低速冲击损伤行为的研究主要集中在两个方面：①冲击损伤行为中的层厚效应；②基于薄丝束的仿生螺旋复合材料损伤特征。
对于薄层单向带复合材料冲击损伤行为，降低单层厚度会出现基体微裂纹和分层滞后的现象，薄层复合材料沿厚度方向的损伤相比传统复合材料更多，但传统复合材料面内分层扩展面积更广，这是因为铺层减薄改变了传统理解的损伤演变过程，使薄层复合材料出现了一种类似柔性约束的复合材料板损伤特征：损伤倾向于发生于板的表层背面，并向内部扩展。
薄层复合材料可设计性高的优势让仿生铺层复合材料的制备成为可能，如仿生螺旋铺层复合材料层合板。通过一定的设计可减少生螺旋铺层复合材料的分层、改善复合材料的冲击承载能力，但因需铺设较多的层，对制造工艺要求较高，因此需要考虑制造缺陷的影响，且在复杂曲面结构的适用性方面还需探讨。仿生螺旋铺层复合材料截面及冲击失效特征如图2所示：
图2 仿生螺旋铺层复合材料截面及冲击失效特征
相比于薄层单向带类复合材料，薄层机织复合材料的几何构型更为复杂、冲击失效行为的影响因素更多。研究表明，低层厚机织复合材料的纤维束会出现过早断裂的现象，这可能是由于展宽机织复合材料的纤维束波动在局部变化梯度大，导致的应力集中更为严重。因此还需要讨论关于丝束减薄对展宽机织复合材料冲击阻抗的提升作用以及各类损伤的特征、出现的顺序、相互之间的关系及对分层损伤的影响规律。低速冲击试样损伤特征如图3所示：
图3 低速冲击试样损伤特征μCT截面
（2）高速冲击失效特征。高速冲击载荷下仿生螺旋复合材料的损伤也呈现出一种典型的沿厚度方向螺旋上升的演变规律，并在远场出现了分层现象，而准静态铺层和正交铺层复合材料的损伤较为集中。这主要是因为薄层复合材料的多界面效应，即冲击载荷下多层界面对应力波的多次反射和透射作用使拉伸波在层间分层中被吸收，有助于更多地消耗弹体动能，因此采用薄层设计的复合材料，无论是在局部破坏还是整体结构响应方面都有利于复合材料结构抗高速冲击性能的提升。
图4 航空发动机复合材料机匣高速冲击旋转包容试验
（3）层间断裂韧性。复合材料结构冲击后的分层损伤面积是衡量复合材料冲击损伤阻抗的直接指标，复合材料层间断裂韧性则是分析层间裂纹起始和扩展的主要性能参数。
对于薄层单向带类复合材料，丝束减薄对冲击后的分层损伤面积没有显著影响，层厚减薄至0.1 mm时才会明显地抑制复合材料分层。对于展宽机织复合材料的层间性能，在纤维断裂前，薄层复合材料的分层面积小于标准层厚复合材料。研究还表明，机织复合材料的层间断裂韧性测试结果比单向带复合材料分散性更大。
复合材料基体韧性、铺层方向和纺织方式都会影响复合材料层间断裂性能，相比传统复合材料，丝束厚度减薄也是构成了影响层间断裂性能的一个因素，后续在开展冲击损伤行 为 研究时，可进一步开展薄层复合材料层间特性方面的研究工作，以加深对冲击分层的认识，并为分析模型提供必要的输入参数。
复合材料损伤起始多发生在材料内部，且冲击过程是一个复杂的瞬态过程，如要通过试验手段表征薄层复合材料冲击失效的起始及演化过程，研究人员需要借助C扫描进行一系列工作。尽管这些研究手段可得出冲击损伤的起始与演化情况，但不足以揭示薄层复合材料的冲击失效规律，还应进一步理清薄层复合材料中纤维断裂、纤维－基体界面的分离及基体剪切形变的相互竞争机制。
2.3薄层复合材料的冲击仿真方法
在试验研究的基础上开展解析或数值分析有助于深入认识复合材料在各种复杂载荷下局部变形、损伤演化和织物几何特性对力学性能的影响规律，揭示变形和损伤失效机制。现有的冲击仿真模型主要针对薄层单向带复合材料的低速冲击分析，计算模型主要为宏观尺度有限元模型，在高速冲击仿真中，少有考虑应变率效应的。表2总结了薄层复合材料冲击仿真的方法研究：
表2 薄层复合材料冲击仿真方法研究的汇总
（1）宏观均匀化模型。宏观均匀化模型可由各个复合材料单层和界面构成，也就是厚度方向每单层为一层有限单元，每层单元之间引入界面单元，可称为“单层＋界面”法，如图5(a)所示。这种方法中单层可离散为实体单元或厚壳元，界面层在几何上可以是有限厚度或零厚度。这样的一个三维模型构建策略可有效表征复合材料厚度方向层内和层间的力学行为，并且拥有很高的计算精度。
宏观力学方法以连续介质力学为基础，结合弹塑性理论、连续损伤力学描述材料整体的力学响应。基于细观力学的动态本构符合组分材料的力学特征，物理意义清晰；宏观方法采用宏观应力、应变描述材料变形，形式直观。两者可相互借鉴。后续薄层复合材料宏观冲击分析模型中还应考虑到复合材料的应变率效应。
图5 复合材料宏观尺度冲击仿真有限元模型的典型构建策略
（2）多尺度模型。复合材料典型的多尺度冲击分析流程如图6所示，可包括微观力学模型、细观尺度模型和宏观尺度模型。
对于单向带类复合材料，可建立纤维在基体中规律或随机分布的微观力学模型（如图6所示），开展刚度、强度及断裂方面的力学性能预测。
NFC复合材料和展宽机织复合材料都属于纺织物复合材料，如图6所示，这类材料在多尺度分析过程中纤维束视为单向复合材料，可通过微观尺度模型计算其力学性能参数。在细观尺度构建包括针织或机织结构的细观模型，开展多尺度分析计算可得到织物结构对冲击损伤行为的影响规律。
对于纺织结构相对复杂的展宽机织复合材料，宏观尺度的单层均匀化仿真不能有效反映纺织结构、几何尺寸和铺层方向等对冲击损伤机制的影响，而采用细观RVE模型进行冲击仿真又存在计算效率问题。因此发展精确而又高效的多尺度冲击仿真方法也是展宽机织复合材料需研究的一个重要问题。
图6 复合材料多尺度冲击仿真框架—以机织复合材料为例
从薄层复合材料冲击损伤行为角度总结了现有研究在冲击失效特征和分析模型方面的研究进展，在此基础上给出了薄层复合材料冲击损伤行为研究方面尚待解决的问题，总结如下：
（1）薄层复合材料主要包含薄层单向带复合材料、薄层NFC复合材料和展宽机织复合材料３类。薄层NFC复合材料力学特征与单向带复合材料的力学特征接近；展宽机织复合材料具有传统机织复合材料的材料特征，但局部弯曲特征不同，纤维束弯曲交织的频率更低。
（2）在低速冲击损伤行为方面，薄层复合材料表现出了与传统复合材料不同的损伤行为，目视勉强可见损伤在薄层单向带复合材料中更容易出现，使按损伤阻抗设计此类复合材料结构具有了一定的可行性；复合材料尺寸效应研究多关注面内尺寸和层板整体厚度的影响，从单层厚度角度开展研究有助于加深对复合材料力学性能的认识。
（3）在高速冲击损伤行为方面，高速冲击载荷下具有仿生螺旋铺层的薄层复合材料表现出了更好的吸能和承载特性。薄层复合材料具有较高的可设计性，但现有按低速冲击损伤容限方法设计复合材料结构寿命的过程在高速冲击载荷下并不完全适用，因此研究薄层复合材料高速冲击下的力学行为、总结高速冲击载荷下的安全设计准则与方法是必要的。
（4）在层间断裂韧性方面，现有研究指出丝束厚度会影响材料的层间断裂性能，特别是影响层间纤维桥接和裂纹扩展过程；此外复合材料的层间断裂韧性还会受加载速率的影响，关于薄层复合材料中层间性能的应变率相关性还应开展具体的研究工作。因此理清薄层复合材料微细观断裂损伤失效机制及其关键影响因素也是值得研究的科学问题。
（5）对于宏观尺度冲击损伤模拟，若薄层复合材料的单层力学性能得到准确的表征，可采用已有的宏观尺度仿真方法分析薄层复合材料。在模型构建方法方面，“单层＋界面”法是一个好的模型构建方法；在铺层较多的情况下，“子层＋界面”法可提高计算精度；现有文献冲击分析模型中未充分考虑薄层复合材料应变率效应，薄层复合材料应变率效应的表征与率相关本构模型的构建也是值得关注的研究点。
（6）对于细观尺度冲击仿真分析，薄层NFC复合材料可不考虑厚度方向捆绑纱线进行细观模型构建。展宽机织复合材料的织物结构相对复杂，多尺度冲击仿真分析中有必要考虑细观尺度织物结构的影响，然而精确描述机织物细观结构的RVE模型计算量较高，要使用此细观模型研究宏观力学问题，需探索建立准确高效的多尺度冲击仿真方法。
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