传统飞机广泛使用以热固性树脂为基体的热固性碳纤维增强塑料（CFRP）。CFRP可通过优化叠层结构实现所需的力学特性，并且其破坏行为会因结构不同而变化。近年来，可实现高速成型且回收性优异的热塑性 CFRP 备受关注。然而，有关热塑性 CFRP叠层结构对破坏机制影响的尚不清晰。
近日，日本东北大学航空航天工程专业的龙薗一树研究小组，通过结合使用扩展有限元法的数值分析以及在力学试验中观察损伤扩展，即融合计算与测量，首次阐明了热塑性 CFRP 的破坏机制受叠层结构的影响。此外，还成功利用 3 GeV 高亮度同步辐射设施 NanoTerasu的同步辐射 X 射线显微 CT，高精度可视化了热塑性 CFRP 特征性破坏过程中的细微损伤。
【研究背景】
近年来，在航空工业中，随着飞机需求的增长，提高制造效率与降低环境负荷业已成为重要课题。传统飞机结构广泛使用的热固性 CFRP，其树脂通过形成交联结构而具有稳定的力学性能与耐热性。然而，其成型耗时且一旦固化便无法再次成型，在生产性与回收性方面存在问题。
因而，近年来热塑性 CFRP 作为热固性 CFRP 的替代材料备受瞩目。热塑性 CFRP 的基体树脂通过分子缠结而固化，因此可经加热再次熔融。该特性使其适合高速成型与回收，并且还被发现具有优异断裂韧性，因此作为可持续性下一代飞机的结构材料被寄予厚望。
用于飞机结构的热固性 CFRP 通过设计其叠层结构来实现所需材料特性，在考虑使用螺栓或铆钉连接的设计中，必须通过考虑圆孔处应力集中的力学试验，即开孔拉伸试验和开孔压缩试验来进行评估。迄今为止，针对热固性 CFRP，已对多种叠层结构进行了评估，明确了其与开孔强度及破坏机理的关系。
【研究进展】
东北大学龙薗一树团队，针对作为下一代飞机结构材料备受关注、具有优异机械性能的热塑性 CFRP——“T700G/LM-PAEK”，研究了不同叠层结构下的破坏机理。研究定义载荷加载方向与碳纤维平行方向为 0°，并选取了 0°层比例较高的“Hard 层合板”与 ±45°层比例较高的“Soft 层合板”（图1）。
通过与热固性 CFRP 的对比表明，热塑性 CFRP 显著抑制了基体开裂与层间剥离等源自树脂的损伤，这归因于热塑性树脂的高断裂韧性，有效抑制了损伤扩展。
更加详细地讲，在热塑性 CFRP 的开孔压缩试验中，Hard 层合板在最终断裂前几乎未观察到明显损伤，表现为瞬时断裂（图3(a)）。而 Soft 层合板则从早期即出现损伤并缓慢扩展（图3(b)）。根据扩展有限元法的数值分析结果，该差异主要源于 0°层断裂的应力水平及其后应力再分配行为（图3(c)）。
图 3. 有孔压缩试验的实验及分析结果： (a) Hard 层压板的损伤分布。数值分析再现了实验结果，直至断裂前几乎没有损伤发生，损伤发生后立即断裂。(b) Soft 层压板的损伤分布。损伤早期发生并缓慢扩展。(c) Soft 层压板的应力分布。损伤发生前应力集中在0°层，损伤发生后应力分配到±45°层。
在 Hard 层压板中，由于 0°层较多，0°层承担载荷直至较高的应力水平。因此，当所有 0°层破坏时，即使应力分配到 0°层以外的层，也无法承受，导致试件整体瞬间破坏。而 Soft 层合板中仅有两层 0°层，其断裂应力水平较低，断裂后应力分配至 ±45°层，在这些层中热塑性树脂的塑性变形占主导，因此损伤的进展被认为更为缓慢。热固性 CFRP 未观察到这些特征行为，因此可得出结论：在热塑性 CFRP 中，得益于热塑性树脂的高断裂韧性，层间剥离被显著抑制，并且在 0° 层破坏后，更容易通过层间发生应力重新分配。
在热塑性 CFRP 的开孔拉伸试验中，同样观察到 Hard 层合板瞬时断裂、Soft 层合板缓慢损伤扩展的现象（图4(a)(b)）。通常在热固性 CFRP 中，拉伸载荷下碳纤维的脆性断裂占主导地位，部分区域的纤维断裂被认为会直接导致整体破坏。然而，基于该假设构建的本研究数值解析低估了 Soft 层合板的开孔拉伸强度。为探究其原因，通过 X 射线 CT 观察内部损伤发现，即使发生局部纤维断裂，也存在未导致整体破坏的情况。
图 4. 有孔拉伸试验的实验及分析结果： (a) Hard 层压板的损伤分布。损伤仅为基体开裂，直至断裂前未发生纤维断裂。(b) Soft 层压板的损伤分布。不仅有基体开裂，纤维损伤也从圆孔边缘垂直于载荷加载方向扩展。(c) NanoTerasu
为更详细观察损伤分布，在同步辐射设施 NanoTerasu 实施了同步辐射 X 射线显微 CT 的高精度损伤观测（图4(c)）。结果显示，宏观上损伤从孔边沿试样宽度方向扩展，而微观上纤维断裂随机分布形成小规模簇状。这些簇集之间通过基体开裂相连接，揭示了与先前假定的瞬时断裂模型不同的损伤扩展实态。
【未来展望】
上述研究明确了叠层结构对热塑性 CFRP 破坏机制的影响不同于传统的热固性 CFRP。通过将本研究获得的热塑性 CFRP 破坏机理知识应用于建模，有望进一步提高数值模拟精度。
这将有助于降低目前因安全系数过高导致的复合材料飞机重量，并通过数值材料试验替代部分耗时耗资的认证试验，为实现使用热塑性 CFRP 的可持续下一代飞机做出贡献。