为此，英国思克莱德大学、南安普顿大学、哥伦比亚国立大学和布里斯托尔大学的研究团队在Composites Science and Technology发表了研究成果，该研究通过实验与数值模拟相结合的方法，系统探讨了多向碳/玻璃混杂复合材料中铺层顺序、层间相互作用以及基体开裂对混杂效应的影响。论文标题为”Hybrid effect in multi-directional carbon/glass composites“。
研究采用实验测试、显微观察与数值模拟相结合的系统研究方法，设计了基于两种基准QI铺层（±45QI和±60QI）的六种不同铺层顺序的碳/玻璃混杂层板，通过调整0°碳层与相邻层的相对位置及铺层间距，以研究层间相互作用与基体开裂对碳层碎裂行为的影响。实验采用Hexcel的S玻璃/环氧与SK Chemicals的薄层碳/环氧预浸料，通过热压罐工艺制备试样，并进行单轴拉伸测试。利用光学显微镜对中断试验后的样本进行损伤观察，重点关注碳层碎裂、基体开裂与分层行为。此外，建立二维有限元模型，模拟单一碳层开裂对相邻未损伤碳层应变分布的影响，以量化层间相互作用程度。
研究结果显示铺层顺序显著影响碳层碎裂应变与混杂效应，所有铺层均表现出理想的渐进破坏行为，无明显灾难性分层。通过提取应力-应变曲线上的”膝点（Knee Point）”应变（标记碳层碎裂开始），发现不同铺层顺序下膝点应变存在显著差异。例如，铺层±45QI_1表现出最高的膝点应变2.19%，而±60QI_3最低为1.75%。
数值模拟进一步表明，当两个0°碳层之间的相互作用较强时，未损伤碳层的应变增量较大，导致其行为类似更厚的单一碳层，从而降低混杂效应。相反，当碳层间相互作用较弱，碳层更独立地碎裂，混杂效应更为显著。具体数据表明，膝点应变在±60QI_3中较基线值降低12.5%，而在±45QI_1中提高36.9%；碳层间应变增量的数值模拟结果显示±45QI_1为6.5%，±60QI_3为23.5%；刚度折减膝点应力方面，±45QI_1达到402.8 MPa，±60QI_3为336.7 MPa。
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膝点应变 |
±60QI_3: 1.75%→±45QI_1: 2.19% |
↑ 25.1% |
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碳层间应变增量 |
±45QI_1: 6.5%→±60QI_3: 23.5% |
↑ 261.5%  |
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膝点应力 |
±60QI_3: 336.7 MPa→±45QI_1: 402.8 MPa |
↑ 19.6% |
该研究成果为多向混杂复合材料设计提供新指导，明确了在多向混杂复合材料中，通过合理设计铺层顺序、控制碳层间距以及选择高刚度相邻层，可有效调控层间相互作用，从而优化碳层的碎裂行为与整体渐进破坏性能。这不仅为航空、汽车等领域中的轻量化结构设计提供了理论依据，还为开发具有高损伤容限的复合材料提供了新思路。
图1非混杂碳复合材料与具有渐进破坏的碳/玻璃混杂复合材料的应力-应变曲线
图2 QI混杂配置±45QI和±60QI的损伤模式图
图3 不同铺层在膝点处的碎裂应变（含碳基线）
图4 中断试样的侧视显微图像（碳子层板与最近玻璃层）
图5 数值模型示意图（铺层±45QI_1）
图6 在1.6%应变下，考虑顶部0°碳层单条裂纹时各铺层的厚度方向应变分布
图7 底部0°碳层应变增量与实验膝点碎裂应变之间的相关性
原始文献：
Idarraga, G., Acosta, J. D., Jalalvand, M., Meza, J., & Wisnom, M. R. (2025). Hybrid effect in multi-directional carbon/glass composites. Composites Science and Technology, 270, 111285.
原文链接：
https:///10.1016/j.compscitech.2025.111285