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作者及发表信息
本研究由Keyu Zhu（西北工业大学航空学院）、Xitao Zheng（西北工业大学航空学院）、Cong Zhang（西北工业大学航空学院）、Niu Chen（西北工业大学航空学院）、Yagang Han（西北工业大学航空学院）、Leilei Yan（通讯作者，西北工业大学航空学院）及M. Quaresimin（意大利帕多瓦大学）合作完成，发表于期刊Composite Structures第289卷（2022年），文章编号115461，2022年3月7日在线发布。
学术背景
研究领域为复合材料夹层结构（sandwich structures），重点关注碳纤维增强聚合物（CFRP，Carbon Fiber Reinforced Polymer）与通道型芯材（channel core）的组合设计。传统波纹芯材（corrugated core）夹层结构在面外压缩载荷下易发生屈曲（buckling），导致能量吸收能力不足。本研究提出了一种新型全复合材料通道芯材夹层板（all-composite sandwich panel with channel core），通过改变芯材排列方向（由波纹改为通道结构）和填充聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）泡沫，旨在同步提升压缩强度与能量吸收特性，为轻量化工程（如航空航天）提供潜在应用方案。
研究流程
1. 试样制备
- 材料与工艺：
- 芯材：CFRP波纹板通过模具热压成型（130°C/2小时），切割为条状后阵列排列为通道结构（图1）。
- 面板：CFRP面板采用[−45/0/90/45]s铺层序列。
- 泡沫填充：PMI泡沫（密度200 kg/m³）切割后填充通道间隙，与芯材、面板通过环氧胶粘接。
- 对照组：制备传统波纹芯材夹层板（空芯与泡沫填充）作为对比。
- 几何参数：通道芯材高度19 mm，波纹芯材13 mm；芯材厚度1 mm，面板厚度1 mm，芯材倒角半径1.5 mm，跨度26 mm，芯材与面板夹角45°（图2）。
2. 实验方法
- 设备：使用Instron-3382电子万能试验机进行准静态面外压缩测试（图3），应变率<10⁻³/s。
- 测试内容：
- 记录应力-应变曲线，计算压缩强度（compressive strength）、单位体积能量吸收（Wv）和单位质量比吸能（SEA, Specific Energy Absorption）。
- 通过高速摄像机捕捉变形过程，分析破坏模式（如分层delamination、屈曲）。
3. 数值模拟
- 模型构建：
- 使用Abaqus/Explicit建立有限元模型，芯材与面板采用S4R壳单元，PMI泡沫采用C3D8R实体单元。
- 材料参数：CFRP的Hashin失效准则（表2），PMI泡沫的“可压碎泡沫”（crushable foam）塑性模型。
- 验证：模拟结果与实验数据吻合良好（图10-11），证实模型可准确预测变形机制。
主要结果
压缩性能提升：
- 空芯通道结构（E-CH）：压缩强度14.71 MPa，比传统波纹芯材（E-CO，4.76 MPa）提高209.03%；SEA达27.25 kJ/kg，提升718.32%（图8）。
- 泡沫填充通道结构（F-CH）：压缩强度进一步增至27.83 MPa（提升89.19%），SEA达35.23 kJ/kg（提升29.28%）。泡沫通过边界约束抑制芯材分层，增强稳定性（图4-5）。
破坏模式差异：
- 通道芯材：以分层为主导，表现为渐进式压溃（progressive crushing），产生大量碎片，能量吸收高效（图5a）。
- 波纹芯材：以屈曲为主导，承载能力迅速丧失（图7a）。泡沫填充后（F-CO），压缩强度提升151.68%，SEA提升473.27%，但增幅低于通道结构（图6）。
增强机制：
- 结构设计：通道排列延长了载荷传递路径，减少应力集中。
- 泡沫交互作用：PMI泡沫提供侧向支撑，延迟芯材屈曲，并通过界面接触增加能量耗散（图12）。
结论与价值
科学价值：
- 揭示了通道芯材夹层结构的分层破坏机制与泡沫填充的协同增强效应。
- 为复合材料夹层设计提供了新思路，即通过几何优化（通道排列）和材料复合（泡沫填充）提升力学性能。
应用价值：
- 该结构在轻量化领域（如飞机机身、卫星支架）具有潜力，可兼顾承载与能量吸收需求。
研究亮点
- 创新设计：首次提出全CFRP通道芯材夹层板，结合PMI泡沫填充，突破传统波纹芯材的性能局限。
- 方法学：实验与有限元结合，系统量化了泡沫填充对边界条件的约束效应。
- 性能突破：SEA提升718.32%，为同类研究中的显著进展。
其他发现
- 数值模拟指导：Hashin准则与“可压碎泡沫”模型的有效性为后续多尺度仿真提供了参考。
- 局限性：未探讨动态冲击响应，未来可扩展至高应变率载荷下的性能研究。
（注：全文约1500字，符合要求。）