Stacking sequence effects on progressive intralaminar damage in open-hole auxetic and conventional hybrid composite laminates
本研究表明，具有工程化负泊松比的拉胀混合复合材料层合板与传统层合板相比，表现出更优越的损伤容限和峰后承载能力，这是通过促进渐进式、空间分布式的损伤演变，而非在开孔周围发生快速局部化损伤来实现的。
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现代工程学在很大程度上依赖于复合材料，这些材料本质上是将坚韧的纤维与粘性树脂胶合在一起的层状结构，从而创造出既轻盈又极其强韧的结构。这些材料是包括飞机机翼到风力涡轮机叶片在内的各种构件的支柱。然而，现实世界的结构不可能都是完美的实心板，它们需要为螺栓、铆钉或检查孔留出孔洞。这些孔洞是应力集中的薄弱点，往往会导致材料比预期更早地发生裂纹并失效。几十年来，工程师们一直试图通过混合不同类型的纤维或改变层叠顺序来解决这个问题。一种更新颖、更不寻常的方法是设计让材料表现出一种反直觉的行为：当你沿长度方向拉伸它时，它会变厚而不是变薄。这种不寻常的行为被称为“拉胀”（auxetic），它源于一种特定的层状几何排列，这种排列使得材料在拉伸时会向侧向扩张。
阿米尔卡比尔理工大学的研究人员致力于研究这种奇特的扩张行为是否真的能帮助带孔的复合材料部件比标准部件更好地生存。他们制造了两组测试面板，这两组面板在各方面都完全相同，唯一的区别在于其层叠顺序。两组都使用了相同的碳纤维和玻璃纤维混合物、相同的厚度和相同量的树脂。唯一的区别在于每一层放置的角度。一组按照常规模式排列，表现正常；而另一组则按照特定的序列排列，以产生那种具有拉胀效应、向侧向扩张的效果。两组面板中心都钻了一个孔，以模拟现实世界中的紧固点。团队对这些面板进行拉伸实验直至其断裂，同时运行详细的计算机模拟，以追踪损伤是如何在材料的微小层级中开始并扩散的。
结果揭示了一个引人入胜的权衡关系。常规面板在出现第一个故障迹象之前能保持得更久，但一旦最终出现裂纹，损伤就会迅速且灾难性地蔓延。相比之下，拉胀面板在过程中的早期阶段就显示出内部裂纹的迹象。然而，这种早期预警并非弱点的表现，而是另一种生存策略的体现。拉胀面板中的损伤并没有形成一条横跨材料的单一直线裂纹导致突然断裂，而是以一种缓慢且均匀的方式在更广泛的区域内扩散。这种应力的逐渐分布使得拉胀面板在技术性失效后仍能继续承载重量。当常规面板达到其临界点时，它们几乎立即失去了所有强度，仅保留不到百分之十的峰值载荷。然而，拉胀面板在初始失效后仍能保持近百分之二十的最大强度，这使得它们的失效过程更加平稳且可预测。
通过仔细观察计算机模型，研究人员可以清楚地看到原因所在。在常规面板中，损伤倾向于高度集中在与拉伸方向成九十度角的层中，从而形成一条快速断裂的薄弱线。而在拉胀面板中，损伤始于角度为十度的层，并以一种更平衡的方式逐步扩散到其他层。这种行为防止了应力在某一特定位置过度堆积，从而有效地延迟了结构的整体坍塌。团队还注意到，虽然拉胀设计在初始断裂后保持载荷的能力更优，但它也存在一个特定的弱点：层与层之间角度的剧烈变化使得板材更容易发生层间分离，即所谓的脱层现象，而这一点在他们的计算机模型中并未被完全捕捉到。
最终，这项研究表明，通过排列复合材料层来创造这种拉胀效应，可以显著改善结构处理孔洞周围损伤的能力。虽然材料可能会较早显示出内部裂纹，但它的方式可以防止突然的全面失效。这意味着对于像飞机接头或桥梁部件这类关键应用，使用这些特殊的堆叠顺序可以提供至关重要的安全裕度，使结构在受损后仍能保持功能并确保安全。这些发现指向了一个未来，即我们如何堆叠材料与材料本身同样重要，为工程师设计不仅强韧而且具有韧性的结构提供了新的工具。
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