（翻译整理：杨甜甜 选稿校对：张鑫）
近年来，由仿生材料制成的多层复合结构因其优越的机械性能，广泛应用在航空航天、交通运输、海洋防御以及土木工程等工程领域。其中，纤维增强复合材料在夹层结构中具有低密度、高比强度以及可以降低整体重量的优势，应用在工程中在船舶、车辆装甲等系统的保护层等方面。然而，虽然纤维增强聚合物(FRP)复合材料与传统结构材料相比，具有高刚度和强度，但仍存在脱粘和分层的缺陷。而到目前为止，还没有关于利用波纹纤维克服这种缺陷的研究。为了研究这一问题，越南胡志明市理工大学（HUTECH）CIRTech研究所Vuong Nguyen-Van（第一作者）、H. Nguyen-Xuan（通讯作者）及其团队在《Thin-Walled Structures》上发表了题为“Uniaxial and biaxial bioinspired interlocking composite panels subjected to dynamic loadings”的文章，提出了一种波纹纤维来克服在FRP复合材料中的脱粘以及分层缺陷，并进一步分析纤维/乙烯纤维复合材料与弹性体的不同截面层形状对复合材料的损伤、层间分层和能量耗散的影响。
该研究首先从理论层面对波纹型复合材料层合板多层模型进行探讨，然后选用250mm×250mm×5.75 mm的纤维/乙烯复合材料层合板来模拟多层复合材料层合板在爆炸和冲击载荷作用下的行为（图1（a））。所述复合材料层合板由9层纤维增强聚脲复合层组成，其中，本研究突出性的设计了两种不同截面形式的复合层，分别为“狗骨”或领结形状（图1（b））和波纹型（图1（c））。两种类型的复合材料层合板(波形和“狗骨”)分别在单轴或双轴方向排列，在本研究中进行研究和比较。关于波形截面，本研究考虑了相位一致（图2（a））和相位偏移（图2（b））的两种波状纤维/乙烯纤维复合层合板。
图1 （a）纤维/乙烯复合材料层合板模型；（b）领结型的仿生复合材料层合板；
(c)波纹状的仿生复合材料层合板
图2（a）具有均匀相双轴波状复合材料层合板截面；（b）相位平移为φ的双轴波状复合材料层合板截面
假定的爆炸场景是一种具有代表性的装甲车，为了模拟纤维/乙烯纤维复合板材的层合损伤和分层过程，本研究所用模拟爆炸的场景是爆炸载荷通过在t0 = 25μs期间作用在层合板上的静压力峰值（P0 = 49.3 MPa）进行建模（图3）。其中根据之前在爆炸载荷作用下对类似尺寸的层合板假设的将压力-时间的脉冲关系近似地假定为三角形脉冲。本研究中弹道冲击器的速度、质量等参数是根据实际的冲击场景来选择的，子弹被建模为一个钢球(直径20毫米)，并放置在复合材料层合板表面，与面板中心位置的距离为20毫米（图3），弹道冲击器的速度为200m/s。因此，研究结果可以为如何处理各种工程应用提供更新颖的思路。
图3 两种类型的冲击载荷(爆炸和冲击)作用在复合材料层合板表面
为了比较层合板与领结型层合板在单轴和双轴方向上的响应，在爆炸脉冲作用下进行模拟。结果表明：与单轴和双轴“狗骨”层合板相比，层合板的中间区域出现损伤，爆震波到达复合材料板的后层板时，其他部分完好无损（图4）。用单轴领结型的复合材料层合板显著减少了脉冲传递的能量，从而减轻了纤维损伤。其次，具有均匀且相移（SP）角为π/ 8、π/ 4的后波状层合板中的纤维损伤首先发生在0.4 ms处（图5），相移（SP）角为π/ 8的复合材料层合板可以帮助减轻纤维损伤，并显著减少传递到层合板后方的负载。最后，对比研究具有双轴移相（SP）角（π/ 8）的层合板、背面有1 mm聚脲层的双轴SP角（π/ 8）层合板（图6）在冲击载荷中的纤维损伤样貌发现，在脉冲载荷作用下，波形纤维复合材料层合板的性能较好，聚氨酯增强的层合板有效保持了层合板后部的完整。
图4 复合材料层合板和“狗骨”状层合板在爆炸载荷下的纤维损伤形貌
图5 具有均匀且相移（SP）角为π/ 8、π/ 4的后波状层合板（爆炸载荷）中的纤维损伤形貌
图6 具有双轴移相（SP）角（π/ 8）的层合板、背面有1 mm聚脲层的双轴SP角（π/ 8）层合板在冲击载荷中的纤维损伤形貌
图7展示了截面形状对爆炸载荷作用下粘性层复合结构损伤模式的影响。比较了在平面、单轴（狗骨）和双轴位移相位（π/ 8）层合板中，粘合层在不同时间的损伤过程。结果表明：在0.08 ms时，原始复合材料层合板损伤程度最高。与平面相比，双轴位移相位（π/ 8）和“狗骨状”复合材料层合板在粘接层中具有更强的抑制损伤的作用。
图7 层合板、单轴“狗骨头”状和双轴位移相（π/ 8）层合板在爆炸载荷下粘合层损伤（距离爆炸源最远）的比较。
为了研究波纹型复合材料层合板在冲击载荷作用下的效果，对比了层合板和双轴位移相（π/ 8）层合板的损伤耗散能及其粘接分层过程（图8）。结果表明：在冲击载荷作用下，原始复合材料层合板比双轴波状板受到的损伤更大，通过调整截面形状，可以显着降低纤维复合材料的损坏。此外，由于粘合剂分层（图8（c）、（d））波浪状的粘合剂层不能使层合板在受到冲击时发生最小化破坏。
图8（a）层合板；（b）双轴移相（π/ 8）层合板中耗散能量的时间历程；（c）层合板；（d）双轴移相（π/ 8）面板在冲击脉冲作用下的分层模式（黑线表示完整的粘合剂粘合）。
总而言之，波浪状层和双轴相移（π/ 8）复合层可在承受脉冲载荷时显着提高复合板的能量耗散能力。因此，波浪形复合板可作为各种表皮材料应用于各种工程领域，如防护服和设备，防撞栏，车架和保险杠等的设计。
这项工作为进一步研究使用波浪形纤维增强聚合物复合板的能量吸收系统提供了基础。在未来的工作中，将研究使用优化技术对其他相变进行更详尽的分析，以全面了解波浪形复合板在动态载荷下的响应。
参考文献： Vuong Nguyen-Van，Sachini Wickramasinghe，Abdallah Ghazlan，H. Nguyen-Xuan， Phuong Tran b. Uniaxial and biaxial bioinspired interlocking composite panels subjected to dynamic loadings[J].Thin-Walled Structures，2020，157: 107023.
（感谢杨甜甜同学投稿！）
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