近日，合肥工业大学赵昌方副教授联合大连理工大学、西安交通大学、南昌航空大学及中国航天科工集团第六研究院210所等单位，在《高压物理学报》发表了题为“超薄碳纤维复合材料的冲击动力学行为实验研究”的研究论文。该论文采用单向超薄预浸料和热压成型工艺，制备了单层厚度仅0.1 mm的超薄碳纤维增强环氧树脂（CFRP）层压复合材料（传统CFRP单层厚度约0.3 mm），系统研究了5种铺层角度（0°、90°、0°/90°、45°、±45°）下的动态冲击力学行为，揭示了铺层方式对材料应变率效应的调控规律，并建立了统一本构模型，为超薄CFRP复合材料的按需设计提供了实验依据与理论工具。

图1 不同铺层方式下的CFRP模量与应变率的关系

CFRP因其高比强度、高比模量和优异的可设计性，在航空航天、新能源汽车、风力发电等领域得到广泛应用。然而，传统热压工艺制备的CFRP层压复合材料单层厚度通常约0.3 mm，而纤维直径仅约0.007 mm，这意味着单位厚度CFRP中含有大量树脂基体。在追求轻量化的过程中，传统CFRP面临厚度与性能的权衡瓶颈。薄铺层设计能有效增加单位体积内的纤维含量和界面密度，是突破现有设计极限的重要途径，但相关研究多聚焦于准静态力学性能，动态冲击行为尚属空白。

针对这一问题，该校企联合研究团队采用超薄单向预浸料，通过真空袋压固化工艺制备了截面尺寸4 mm×4 mm、厚度2 mm的块状试样，单层纤维固化后厚度仅0.1 mm，并开展了准静态测试和分离式霍普金森压杆（SHPB）动态冲击测试（应变率范围为443–3921 s⁻¹）。研究发现：

①铺层角度对动态力学性能具有显著的调控作用；

②45°与±45°铺层展现出独特的基体主导特征；

③超薄CFRP的动态性能远优于传统CFRP。

该研究揭示了一个重要的设计理念：超薄CFRP复合材料的力学性能和应变率敏感性可通过铺层方式进行编程调控。90°铺层有益于提升动态模量和强度、降低屈服应变；45°铺层则有利于增强塑性、降低强度、提升模量和屈服应变的应变率敏感性。通过优化铺层角度与顺序，可在特定体积内协同调控刚度、强度与能量吸收等目标性能，在传统结构减重极限的基础上实现再次减重。未来，该团队将进一步建立应变率相关各向异性本构模型和损伤模型，并与传统材料开展更多指标对比，为大尺度结构设计和响应预测提供基础。

该论文中，合肥工业大学副教授、大连理工大学访问教授赵昌方为论文第一作者，大连理工大学教授周才华为通讯作者，西安交通大学副教授刘浩、南昌航空大学副教授周志坛及中国航天科工集团第六研究院210所研究员冀梁为共同作者。该研究得到了国防科工局稳定支持项目（GB202406292）、国家自然科学基金（12402458，12302233）、中国博士后科学基金（2024T170719）。

文章标题：超薄碳纤维复合材料的冲击动力学行为实验研究

文章链接：https://doi.org/10.11858/gywlxb.20251265