聚合物基复合材料（polymer matrix composite；PMC）的金属纤维增强材料以经济实惠的方式提高了结构的灵活性和功能性，但如果不进行表面处理，界面结合相对较弱。这项研究表明，等离子体电解氧化 (Plasma Electrolytic Oxidation；PEO) 有望制备用于PMC的编织混合Al2O3/Al增强材料。评估了由不同氧化物与金属比（~20-50vol%）的~9-13vol%γ-Al2O3/Al纤维增强的PMC的压缩行为（结构设计中的关键设计参数）。氧化率为20%的大多数纤维在交织点处以微屈曲模式失效。与铝增强材料相比，混合Al2O3/Al纤维使复合材料的比抗压强度（σc/ρ）和模量（Ec/ρ）分别提高了约15%和约58%。由于剪切诱导断裂导致纤维断裂，厚度超过15-20μm的氧化物壳限制了进一步的增强。建议在机械工程应用中用于制造结构部件的PMC使用更薄的铝增强壳。

一、引言

聚合物基复合材料 (PMC) 因其轻质、高性能和耐用性，在汽车、航空航天和海军等领域备受关注。然而，传统的纤维增强复合材料存在韧性差、加工难度大、制造成本高和维护费用高等问题，限制了其更广泛的应用。金属纤维增强 PMC 是一种替代方案，虽然金属纤维本身强度较低，但成本更低，且通过合理的增强结构设计可以有效地提高 PMC 的比强度。然而，金属和聚合物之间的物理和化学差异导致界面结合较弱，从而限制了复合材料的性能和应用。

近日，国际知名期刊《Composites Science and Technology》发表了一篇由英国曼彻斯特大学材料系的研究团队完成的关于Al2O3/Al混杂纤维增强聚合物基复合材料压缩行为的多尺度分析的研究成果。该研究深入分析了 γ-Al2O3/Al 混合纤维增强 PMC 的压缩行为，揭示了氧化比例对复合材料性能和纤维失效模式的影响，为高性能 PMC 的设计提供了重要的理论和实验依据。论文标题为“Multiscale analysis of the compressive behaviour of polymer-based composites reinforced by hybrid Al2O3/Al fibres”。

二、研究内容及方法

1.实验细节

该研究通过PEO 工艺制备了具有不同氧化铝含量的氧化铝/铝（Al2O3/Al）纤维增强材料。并将这些纤维增强材料与环氧树脂结合，制备了不同氧化层比例的复合板，用于压缩测试。实验中，将八层经过PEO处理或未经处理的铝网样品堆叠在自制模具中，然后使用真空下的环氧树脂浸渍并固化，制作成符合ASTM标准D6641/D6641M尺寸要求的矩形样品。压缩测试采用联合加载压缩方法，并辅以数字图像相关技术进行应变分布分析。此外，还进行了微观压缩测试，并利用原位 X 射线计算机断层扫描技术观察 γ-Al2O3/Al 纤维在压缩过程中的损伤萌生和演化。

2.结果和讨论

研究探讨了PEO处理时间对氧化铝/铝（Al2O3/Al）纤维微观结构的影响。随着PEO处理时间的增加，氧化层表面粗糙度增加，形成更大的突起，但整体表面形貌保持不变。氧化层厚度显著增加，界面孔隙率和总孔隙率降低，涂层变得更加致密。涂层的主要成分是γ-Al2O3。由于薄纤维基材的体积-表面积比小，在PEO处理过程中限制了阻挡层中产生的热量的耗散，因此热效应可能影响外涂层区域，导致表面形貌的粗糙化。

图1 不同处理时间的PEO处理铝纤维的SE-SEM图像：（a）~（b）Al2O3/Al纤维的表面形态；（e） ~（h）相应的横截面图。

研究分析了由γ-Al2O3/Al纤维增强的PMCs在压缩下的力学行为。研究发现，当纤维中氧化铝的含量低于20%时，复合材料的压缩强度和模量显著提高，分别增加了约15%和58%。然而，当氧化铝含量超过20%时，这种提升效果变得有限。实验结果表明，氧化铝/环氧树脂界面之间的良好结合是提高复合材料压缩性能的关键因素。此外，不同氧化铝含量的纤维表现出不同的失效机制，低氧化铝含量的纤维主要通过微屈曲和界面脱粘失效，而高氧化铝含量的纤维则主要通过剪切破坏和氧化层脱粘失效。

图2 在四个不同标称压缩应变水平下进行CLC试验时，三个不同样品表面的轴向应变（εyy）分布。

图3 在四个不同标称压缩应变水平下进行CLC试验时，三个不同样品表面的剪切应变（εxy）分布。

通过扫描电子显微镜（SEM）对失效后的样品进行横截面成像分析，发现每种类型的复合材料中都有一个明显的剪切损伤带，该带以大约45度角连接复合材料前后表面的两个屈曲点。损伤主要集中于纤维附近，并且沿着剪切方向发展并与其他损伤区域相连。主要损伤似乎集中在剪切带上，而屈曲区域的中心区域与剪切带区域相比损伤明显较少。这些观察结果表明，所有类型复合材料中出现的屈曲是涉及环氧树脂塑性变形的塑性屈曲。

此外，剪切带区域与屈曲区域中心区域之间的损伤程度不同，也暗示了在压缩过程中的渐进损伤过程。随着压缩载荷的增加，受到最高剪切水平的区域可能导致样品的最终屈曲。对于轴向和纵向纤维的更全面的破坏分析，需要借助放大图像进行局部分析。在Al/环氧树脂复合材料中，纵向纤维主要表现为界面脱粘，而轴向纤维则主要表现为屈曲和剪切破坏。在屈曲区域的中心区域，每个纤维附近都可以看到明显的剪切痕迹，与加载方向大约成45度（或135度）对齐，这表明剪切损伤发生在界面剥离区域附近。对于由γ-Al2O3/Al纤维增强的复合材料，随着纤维中氧化铝含量的增加，氧化层的开裂和破坏程度也随之增加，最终导致纤维完整性受损。

图4 解释γ-Al2O3/Al/环氧树脂上表面轴向应变和剪切应变分布的示意图。（a） YZ平面图；（b） XY平面视图；（c） γ-Al2O3/Al纤维断裂点附近环氧树脂区域的剪切分布图。

利用原位 X 射线断层扫描技术，实时观察了 γ-Al2O3/Al 纤维在压缩载荷下的损伤演化过程。研究发现，纤维的损伤模式与其氧化物比例密切相关。在氧化物比例较低的纤维中，损伤主要表现为微屈曲和界面脱粘，而在氧化物比例较高的纤维中，损伤则主要表现为剪切导致的断裂和氧化层剥离。随着压缩载荷的增加，纤维的损伤逐渐加剧，最终导致复合材料的失效。

图5 破坏后复合材料中不同氧化物比的纵向纤维的高倍横截面图：（a）铝纤维（0%氧化物）；（b） 20%；（c） 40%；破坏后复合材料中不同氧化物比的轴向纤维的横截面图：（d）铝纤维（0%氧化物）；（e） 20%；（f） 40%。

基于对γ-Al2O3/Al纤维增强复合材料在压缩载荷下损伤演变的观察，提出了一种损伤发展的机制。研究表明，纤维的失效模式与其氧化物比例密切相关。在氧化物比例较低的纤维中，损伤主要发生在纤维交点处，并伴随有界面脱粘和微屈曲。而在氧化物比例较高的纤维中，损伤则主要发生在纤维的斜切面上，并伴随有剪切断裂和氧化层剥离。些损伤模式的变化表明，氧化铝比例对纤维在环氧树脂中的压缩行为和失效模式具有显著影响，且当氧化铝比例超过约20%时，复合材料的压缩性能提升受到限制，因为氧化铝层中的缺陷密度增加以及纤维的柔韧性降低。

图6 两种复合材料试样中的代表性区域：（a1）-（a4）20%-γ-Al2O3/Al纤维；（c1）-（c4）40%-γ-Al2O3/Al纤维，说明了纤维损伤随压缩过程的演变。（c1）-（c4）和（d1）-（d4）分别示出了20%和40%的相应横截面图。

三、小结

该研究通过多尺度分析，揭示了 γ-Al2O3/Al 混合纤维增强环氧树脂基复合材料的压缩行为和失效机制。研究发现，氧化物/环氧树脂互渗区域的有效结合显著提升了复合材料的压缩性能，但氧化物层厚度和纤维柔韧性也对纤维的失效模式产生影响。当氧化物比例低于 20% 时，纤维主要发生微屈曲和界面脱粘；而氧化物比例较高时，纤维则主要发生剪切断裂和氧化层剥离。此外，氧化物层厚度超过 ~15 μm 后，对复合材料性能的提升有限。该研究为高性能聚合物基复合材料的设计和应用提供了重要的理论和实验依据，并为开发新型轻质、高性能复合材料提供了新的思路。

原始文献：

Tang, H., Xu, J., Soutis, C., & Yerokhin, A. (2024). Multiscale analysis of the compressive behaviour of polymer-based composites reinforced by hybrid Al2O3/Al fibres. Composites Science and Technology, 255, 110718.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110718