引言

在实际服役过程中，复合材料构件常面临工具跌落、异物撞击等低速冲击载荷，冲击过程中易产生基体开裂、纤维断裂、层间剥离等内部损伤，且多数损伤具有隐蔽性，会显著降低构件的承载能力与疲劳寿命。因此，开展碳纤维-玻璃纤维混杂环氧树脂基复合材料低速冲击性能研究，明确关键影响因素与损伤演化规律，对优化材料混杂设计、提升结构服役安全性具有重要理论意义与工程价值。

1混杂设计原理

碳纤维-玻璃纤维混杂环氧树脂基复合材料的核心设计理念是“优势互补、协同增效”，通过两种纤维的合理搭配，弥补单一纤维复合材料的性能缺陷。从力学性能匹配角度，碳纤维的高弹性模量可保证材料的整体承载能力，玻璃纤维的高延伸率则能提升材料的抗冲击韧性与断裂韧性；从能量吸收机制来看，冲击载荷作用下，玻璃纤维的拉伸断裂与拔出可消耗大量能量，碳纤维则能抑制损伤的过度扩展。此外，玻璃纤维的介电性能优异，可改善碳纤维复合材料的电磁屏蔽特性，为功能-结构一体化设计提供可能。混杂设计的关键参数包括混杂比（两种纤维的体积比或质量比）、铺层顺序、铺层角度等。混杂比直接决定材料的强度与韧性平衡，通常随着玻璃纤维含量增加，材料韧性提升但强度下降；铺层顺序通过影响冲击载荷的传递路径调控损伤分布，将玻璃纤维铺设于冲击表层可有效缓冲冲击能量，减少核心层碳纤维的损伤；铺层角度则影响材料的各向异性，0°/90°正交铺层可兼顾不同方向的力学性能。

2碳纤维-玻璃纤维混杂环氧树脂基复合材料低速冲击性能

2.1混杂比的影响

不同混杂比试样的低速冲击性能测试结果表明，随着玻璃纤维含量的增加，复合材料的冲击吸收能量呈现先上升后下降的趋势，而冲击后残余强度则逐渐降低。当CF与GF体积比为7:3时，材料综合性能最优：冲击吸收能量达到68J，相较于纯CF试样提升42%，相较于纯GF试样提升25%；冲击后残余强度为420MPa，仅比纯CF试样降低15%。这是因为当玻璃纤维含量较低时（≤30%），玻璃纤维的高韧性特性可有效缓冲冲击能量，抑制裂纹扩展，实现强度与韧性的协同；当玻璃纤维含量过高时（>30%），材料整体强度显著下降，难以抵抗冲击载荷，导致损伤加剧。

2.2铺层顺序的影响

对于混杂比7:3的试样，不同铺层顺序对低速冲击性能的影响差异显著。方案A（CF内层+GF外层）的冲击吸收能量为68J，损伤面积为85mm²；方案B（GF内层+CF外层）的冲击吸收能量仅为45J，损伤面积达130mm²；方案C（交替铺层）的冲击吸收能量为56J，损伤面积为102mm²。方案A性能最优的原因在于，冲击载荷作用下，表层玻璃纤维首先发生塑性变形与断裂，消耗大量冲击能量，有效保护内层碳纤维核心承载层，减少碳纤维的脆性断裂与层间剥离；而方案B中表层碳纤维直接承受冲击载荷，易发生突发性断裂，损伤快速向内部扩展。

2.3损伤模式与机理

（1）损伤形貌对比：超声C扫描结果显示，单一CFRP在25J冲击下呈现以冲击点为中心的近似圆形分层，面积最大，且伴有明显的背面纤维断裂。单一GFRP的分层面积较小，形状不规则，主要损伤为基体开裂和纤维拉伸破坏。混杂复合材料的损伤面积显著小于单一CFRP，其中[G2/C4/G2]型的损伤面积最小，分层被有效限制在中间CFRP层附近。（2）微观损伤机制：单一CFRP：损伤以界面脱粘（分层）为主导，裂纹沿碳纤维层间或层内快速扩展，并引发低应变下碳纤维的脆性断裂。混杂复合材料：损伤机理更为复杂。在[(C/G)2]s型中，GFRP层作为“隔离层”或“止裂层”，改变了应力波的传播路径与层间应力分布。当裂纹扩展至CFRP/GFRP界面时，由于两种材料模量失配引起的应力集中和GFRP较高的断裂韧性，裂纹可能发生偏转或暂时被阻，延缓了分层扩展。

2.4SEM分析

随着玻璃纤维比例的增大层合板的分层现象愈加严重，这是由于玻璃纤维表面光滑，化学惰性树脂的结合性能差所导致，也表现在玻璃纤维层出现了更多的纤维抽拔现象。玻璃纤维断裂面更加的光滑平整，碳纤维断裂面不平整存在一些突起。但材料本身是层合板冲击性能的决定性因素，尽管碳纤维有着与树脂更好的结合性能，由于玻璃纤维更好的韧性使得玻璃纤维含量高的复合材料层合板拥有更好的抗冲击性能。

2.5低速冲击响应分析

（1）载荷-时间曲线特征：单一CFRP曲线表现出典型的脆性特征，峰值载荷高但载荷下降迅速，表明损伤发生后承载能力快速丧失。单一GFRP曲线峰值载荷较低，但平台区较长，表现出较好的能量吸收与延性。对于混杂复合材料，层间对称混杂型[(C/G)2]s的曲线兼具较高的峰值载荷和较平缓的下降段；而非对称表面混杂型[G2/C4/G2]的曲线初始刚度较低（因表层GFRP），但能更有效地延长冲击接触时间，分散冲击力。（2）能量吸收与凹坑深度：在相同冲击能量（25J）下，单一GFRP吸收能量最多，凹坑深度最大（塑性变形明显）。单一CFRP吸收能量最少，凹坑深度小但内部损伤严重。两种混杂模式的能量吸收介于二者之间，但凹坑深度均显著小于单一GFRP，且[G2/C4/G2]型的凹坑深度小于[(C/G)2]s型，表明表层GFRP起到了有效的缓冲作用。

3未来展望

一是优化混杂参数设计，结合机器学习方法实现性能精准预测；二是引入纳米改性技术（如石墨烯、碳纳米管）提升纤维-基体界面结合强度，进一步优化冲击性能；三是开展高低温、湿热环境下的低速冲击性能研究，模拟实际服役条件，推动混杂复合材料在极端环境下的工程应用。

结语

碳纤维与玻璃纤维的混杂设计，能有效改善环氧树脂基复合材料的低速冲击性能，其核心机理在于通过高韧性玻璃纤维层的能量吸收与裂纹阻滞作用，延缓或抑制了碳纤维层中的脆性损伤（分层与纤维断裂）的萌生与扩展。混杂模式对抗冲击性能有显著影响。在本研究条件下，非对称的表面混杂模式（[G2/C4/G2]）较对称混杂模式（[(C/G)2]s）表现出更优的抗冲击损伤能力，冲击后凹坑深度更小，内部损伤面积减少约20%-30%。层间混杂复合材料的载荷-时间曲线表现出介于单一碳纤维与单一玻璃纤维复合材料之间的特征，实现了承载能力与损伤容限的良好平衡。后续研究可进一步优化铺层角度、纤维织物类型及界面性能，并建立冲击响应与剩余强度的定量预测模型，以指导更精细的混杂结构设计。

参考文献

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