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纤维增强复合材料由于其独特的优势，如高比强度和刚度，在各种工业中的应用越来越多。尽管如此，由于其易碎的性质，当受到低速冲击(LVI)作用时，很容易分层。低速冲击损伤会显著降低复合材料结构的结构完整性和剩余机械性能，可导致层压板的各种损坏，如基体开裂、脱粘、分层和纤维断裂/失效。因此，在设计和制造这种结构时，应考虑纤维增强塑料的面外响应。关于纤维增强复合材料的制造，通常使用各种纤维/织物，如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)等，树脂又分为热固性或热塑性。
碳纤维由于其优异的面内机械性能，如高刚度和强度，已被普遍用于制造航空航天结构。然而，由于碳纤维的低韧性，它们在低速冲击中表现出脆性行为，显著降低了碳纤维复合材料的剩余压缩性能，并威胁结构的完整性。为了缓解这一问题，通常将采用与玻璃纤维等其他纤维混合，这可以增加柔韧性，从而提高冲击性能。此外，还可以降低成本。
目前文献中关于低速冲击的研究大多数都是针对热固性复合材料。热固性树脂在中高固化温度范围内具有优异的面内机械性能，但它们的抗冲击性能很差。热塑性复合材料是未来的整体发展趋势，还可以回收利用，与热固性复合材料层压板相比，热塑性复合材料层压板具有良好的损伤容限和抗冲击性能。
然而，由于传统热塑性树脂(如PEEK聚醚醚酮)常温下呈现固态，玻璃化转变温度高，不能使用真空辅助树脂浸渍(VARI)工艺，因为这些树脂需要达到高温才能流动，因此只能通过使用昂贵的设备和高加工温度来实现热塑性复合材料的制造。为了解决这个问题，Arkema公司最近推出了一种新型丙烯酸甲基丙烯酸甲酯热塑性树脂Elium，它在室温下是液态的，可用于VARI工艺，以提高生产率，降低劳动力和制造成本。
目前，针对在室温下制造的热塑性复合材料层压板的低速冲击行为研究甚少。为此，香港科技大学、香港中文大学、塞姆南大学、广州市香港科大霍英东研究院、深圳大学以及广州鹿山新材料股份有限公司的研究人员采用Elium树脂制造了平纹UHMWPE织物、碳纤维织物以及两种纤维组成的混合织物，并研究了铺层顺序对低速冲击性能的影响。同时开发了适用于Abaqus/Explicit的VUMAT子程序对低速冲击过程进行模拟，并与传统热固性复合材料冲击特性进行了不同冲击能量下的对比分析。
文章发表在复合材料领域的顶级期刊《Composites Part B: Engineering》上，题为《Investigating the roles of fiber, resin, and stacking sequence on the low-velocity impact response of novel hybrid thermoplastic composites》，感兴趣的可以点击左下角“阅读原文”查看原始文献链接。
图1 热塑性复合材料层压板的接触力-时间曲线
图2 热塑性复合材料层压板的接触力-位移曲线
图3 不同冲击能量下热塑性层压板冲击背面损伤形式
图4 混杂层压板的横截面图
图5热塑性(a)和热固性(b，c)复合材料层压板在20 J能量冲击下的横截面比较
图6 冲击损伤四分之一有限元模型
图7 不同工况下计算结果与实验结果的对比
图8 冲击背面计算结果与实验结果对比
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