林 琛，成 玲

(1. 天津工業(yè)大學 紡織科學與工程學院，天津 300387；2. 天津工業(yè)大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387；3. 天津工業(yè)大學 物理科學與技術學院，天津 300387)

纖維增強層合復合材料具有高比強度、優(yōu)異的可設計性等諸多優(yōu)點，使其在航天航空領域、汽車行業(yè)和海洋工程中都得到了廣泛的應用。傳統的層合復合材料在厚度方向上缺乏纖維增強[1]，層間僅靠纖維和樹脂之間的粘合作用，在受到平面外靜態(tài)或動態(tài)載荷時，易引起層間損傷,限制了層合復合材料的應用。

近年來，隨著全球海洋資源的開發(fā)與利用，復合材料在海洋環(huán)境中的應用需求越來越迫切。研究表明：傳統的層合復合材料在濕熱環(huán)境下，由于樹脂基體吸濕溶脹而產生的塑化作用[2-3]，導致了其力學性能下降，同時由于基體的濕/熱膨脹系數遠大于纖維，將會在纖維/基體界面處產生內應力，造成界面脫粘[4]，嚴重影響層合復合材料的層間力學性能。此外，在鹽霧環(huán)境下還可能存在水分子水解樹脂基體的分子鏈端，使得層合復合材料出現裂紋、孔洞、分層等，導致其力學性能降低[5]?？p合增強是提高層合復合材料層間力學性能和耐沖擊損傷性能的一種有效方法，并已獲得了滿意的結果?？p合方式、縫合密度、縫線粗細等與縫合復合材料的力學性能顯著相關[6]。在海洋環(huán)境下，縫合參數與濕熱、鹽霧等環(huán)境因素相互耦合，可對縫合復合材料的力學性能造成更為復雜的影響[7]。本文綜述了海洋環(huán)境下縫合復合材料力學性能的最新研究進展，分析了縫合參數和海洋環(huán)境對縫合復合材料力學性能的影響及其作用機制，描述了縫合復合材料在海洋環(huán)境中的應用現狀，對其進一步的研究開發(fā)提出了相應建議，為縫合復合材料在海洋中的應用提供參考。

1 縫合復合材料的層間性能

縫合復合材料通過在厚度方向上引入縫線，使織物連接成整體結構，從而大幅度地提高其層間性能。層間性能的改善通常采用張開型(Mode I)層間斷裂韌性、滑移型(Mode II)層間斷裂韌性來表征。

1.1 張開型層間斷裂韌性

研究表明，溫度的升高和水分的吸收對層合復合材料的Mode I層間斷裂韌性具有改善作用，可提高臨界能量釋放率(GIC)值至145.9%[8-10]。這是由于高溫和濕度會增加基體材料的延性，可獲得更大范圍的纖維橋接[10-13]，如圖1所示。但對于碳纖維增強熱塑性基體層合復合材料，熱塑性基體的吸濕量很小，水分對GIC值幾乎沒有影響[14]。值得注意的是，這種纖維橋接效應是有限的，長時間的濕熱老化會降低纖維/基體界面的強度[10]，超過一定的濕熱老化時間后，層合復合材料的GIC值呈現下降趨勢。

圖1 不同濕熱老化階段纖維橋接示意圖Fig.1 Schematic diagram of fiber bridging at different hygrothermal ageing times

縫合能夠大幅度地提高層合復合材料的斷裂韌性，較未縫合層合復合材料一般都可提高10倍以上[15]。通過縫線纖維橋接來提高分層阻力[16]，其增強效果示意圖如圖2所示。當分層裂紋到達裂紋尖端時，橋接力會使開口閉合，降低裂紋尖端的拉伸應變，抑制裂紋的進一步擴展，從而增強抗分層能力。從能力吸收角度來看，大規(guī)模的纖維橋接過程能夠吸收大量作用于分層的能量，從而抑制分層的擴展。其中，縫線的斷裂也能吸收一部分能量。

圖2 縫合復合材料Model I層間增強效果示意圖Fig.2 Schematic diagram of Mode I interlayer enhancement effect of stitched composites. (a) Crack tip; (b)Fiber bridging

通過對縫合復合材料在潮濕環(huán)境中Mode I斷裂行為的研究表明：與干燥的縫合試樣相比，潮濕試樣的起始和擴展斷裂韌性分別提高了4.28%和19.63%[17]。這可能是由于水分增加了基體的延性，纖維/基體界面的結合力減弱，導致更多的纖維橋接，從而改善了層間斷裂韌性[12]。同時，縫合會產生富樹脂區(qū)，更易萌生裂紋，這可能是起始斷裂韌性改善程度較小的原因。此外，實驗過程中還會出現縫合所導致纖維斷裂和基體變形，可吸收更多的能量，如圖3所示?？p合結構在潮濕環(huán)境下可有效地改善層合復合材料的Mode I層間性能，優(yōu)于其在干燥環(huán)境下的作用。

圖3 濕環(huán)境下縫合復合材料Mode I破壞掃描電鏡照片Fig.3 SEM images of Mode I fracture surfaces for stitched composites in wet environment. (a) Moisture induced cavity; (b) Surface degradation; (c) Matrix deformation; (d) Fractured fiber and matrix; (e) Voids and fractured stitch; (f) Fiber bridging

為使縫合復合材料在海洋環(huán)境下更好地應用，Han等[18]將納米二氧化硅顆粒和聚多巴胺加入樹脂基體中，分別用于增強基體和界面性能，使得GIC值提升了39%，從而改善了縫合復合材料在鹽霧下的層間性能。Tao等[19]對芳綸(Kevlar)縫線進行化學接枝處理,提高了縫線的表面潤濕性，減少了富樹脂區(qū)和空隙的數量,有效地改善了縫合復合材料的濕熱性能，從而提高縫合復合材料的層間性能。

1.2 滑移型層間斷裂韌性

縫合工藝可通過形成抵抗分層擴展的縫線纖維橋接[20]，有效提高Mode II層間斷裂韌性。研究顯示，縫合能夠提高臨界能量釋放率(GIIC)達到4倍，且存在穩(wěn)定的裂紋擴展[21]。通過增加縫合密度和縫線纖維強度等方法可有效地提高層合復合材料GIIC值。

關于水分和溫度對于層合復合材料Mode II層間斷裂韌性的影響，在大量研究中得到了一致的結論。通常，隨著溫度的升高和水分的吸收，GIIC呈現下降的趨勢，下降率可達到50%[11,22-23]。基于在升溫和吸濕環(huán)境下觀察到裸露纖維數量的增加[10-11,23]，可認為是纖維/基體界面的粘合強度下降導致GIIC的下降，同時，也包括基體性能的變化[24]。

通過對縫合復合材料在潮濕環(huán)境中的Mode II斷裂行為的研究表明：與潮濕的未縫合試樣相比，縫合試樣的起始和擴展斷裂韌性分別提高了36.6%和3.12%[25]，說明縫合結構能夠有效地改善層合復合材料在潮濕環(huán)境下的Mode II層間斷裂韌性。此外，實驗過程中還會出現縫合所造成的富樹脂區(qū)、纖維斷裂和錯位等現象，如圖4所示，這可能是擴展斷裂韌性改善程度相對較小的原因。

圖4 濕環(huán)境下縫合復合材料Mode II破壞掃描電鏡照片Fig.4 SEM images of Mode II fracture surfaces for stitched composites in wet environment. (a) Cavity and shear fractured fibers; (b) Matrix degradation; (c) Fractured stitch fibers; (d) Fiber breakage and bridging

2 縫合復合材料抗低速沖擊損傷性能

應用于海洋環(huán)境的層合復合材料易受到低速沖擊的破壞，這會導致層合復合材料的力學性能大幅度下降，采用縫合結構能夠有效緩解沖擊帶來的破壞。

2.1 低速沖擊下耐沖擊損傷性能

縫線通過抑制由纖維變形和剪切應力共同導致的分層[26]，來提高低速沖擊下的耐沖擊損傷性能。Mokhtar等[27]研究發(fā)現濕熱循環(huán)不會加劇碳纖維增強層合復合材料的低速沖擊損傷，但會對其損傷形貌造成影響。Qi[28]研究發(fā)現濕熱循環(huán)會導致縫線周圍出現裂紋，同時使縫線從周圍材料中脫離。盡管存在這樣的損傷，縫合復合材料的抗沖擊損傷性能仍優(yōu)于未縫合層合復合材料?？p合可有效地減少層合復合材料的沖擊損傷面積[29]，一般為30%～40%[30]。Chen等[31]采用不同的鋪層順序和縫合方向來研究濕熱環(huán)境下層合復合材料的沖擊損傷面積。結果顯示，濕熱環(huán)境會使縫合和未縫合層合復合材料的損傷面積減少，其中縫合復合材料的面積減少程度要大于未縫合層合復合材料。這可能是由于水分的吸收增加了相鄰層之間的剛度匹配程度，從而緩解層間剪切應力的產生[32]。對于不同的鋪層，縫合方向的改變對損傷面積具有不同的影響，但總體而言其影響較小，并以0°縫合最佳。

2.2 低速沖擊后剩余壓縮強度

通常采用沖擊后剩余壓縮(CAI)強度來衡量耐沖擊性能的大小，以確定縫合結構起到的作用。Aymerich等[33]研究發(fā)現，當沖擊能量與層合復合材料厚度之比在3～5 J/mm時，縫合對CAI強度起到積極的作用。Chen等[31]采用4.45 J/mm沖擊能量研究縫合復合材料的濕熱CAI強度變化。在濕熱環(huán)境下，縫合可提高層合復合材料的CAI強度，提高程度為8%～26%，這與鋪層順序和縫合方向有關。其中，采用[0/45/0/-45/90/-45/0/45/0]2s(單層布自下而上按0°、45°、0°、-45°、90°、-45°、0°、45°、0°重復循環(huán)2次，再鏡像對稱1次的順序)鋪層的縫合復合材料的濕熱CAI強度都優(yōu)于[45/0/-45/90]4s鋪層，且鋪層順序會影響縫合角度起到的作用，對于不同的鋪層順序存在著不同的最佳縫合角度。

含沖擊損傷的層合復合材料在受到壓縮載荷時，首先會出現局部的屈曲現象，進一步擴展到整體，最終導致層合復合材料的失效。在濕熱環(huán)境下：一方面，吸濕會減少層合復合材料的破壞面積；另一方面，吸濕所產生的不利因素，例如塑化、溶脹、界面強度弱化等，使層合復合材料更易發(fā)生屈曲，從而降低層合復合材料的CAI強度。縫合能夠有效抑制局部屈曲現象的萌生和擴展，使得含低速沖擊損傷的縫合復合材料的壓縮失效機制變?yōu)橐岳w維斷裂為主，從而有效地提高縫合復合材料的CAI強度。值得注意的是，在濕熱環(huán)境下縫合孔周圍的富樹脂區(qū)吸濕，會弱化縫線和基體之間的界面強度。這可通過采用樹脂潤濕性優(yōu)異的縫線纖維或改善基體的韌性來提高縫線和基體之間的界面強度，從而進一步提高縫合在濕熱環(huán)境下帶來的積極作用。

3 縫合復合材料的面內力學性能

對于層合復合材料來說，拉伸和壓縮性能是其承載的重要力學參數。縫合復合材料由于面內纖維的錯位和斷裂以及富樹脂區(qū)的形成，易導致拉伸和壓縮性能下降[34]。但也有研究顯示，縫合結構可提高其面內性能，這可能是由于縫線能夠限制面內纖維的偏移，使得纖維體積含量增加，并提供一定的抗彎曲性[35]，或是縫合會使得織物層之間存在更為有效的應力分布[36-37]。

3.1 拉伸性能

濕熱環(huán)境會造成層合復合材料的拉伸性能下降，下降程度與選用的材料、鋪層順序等相關?？p合復合材料還涉及到縫線的材料和尺寸、縫合密度等因素。選用更小直徑(<0.25 mm)的縫線纖維和相對長(5～6 mm)的縫合距離，可使得縫合復合材料的拉伸性能更好[38]，且鋪層順序對縫合復合材料的拉伸強度起主導作用[39]?？p合在改善層間性能的同時，縫合孔的存在可能會使其拉伸性能受到濕熱影響的程度更大[40]。

黃濤等[41]研究了[0]16單向鋪層的碳纖維/雙馬來酰亞胺(BMI)復合材料的濕熱拉伸性能。結果顯示，濕熱環(huán)境下縫合復合材料拉伸強度保持率為52.86%，僅比未縫合層合復合材料低5.48%，這可能是由于縫合孔導致了更嚴重的吸濕[40]。而濕熱環(huán)境對拉伸模量的影響相對較小，縫合復合材料的拉伸模量下降26.35%，比未縫合層合復合材料略低9.01%?？p合所造成的不利因素在濕熱環(huán)境下是有限的。

進一步地，Zhang等[42]研究了 [45/0/-45/90]4s鋪層的縫合碳纖維/BMI復合材料在潮濕環(huán)境下的拉伸強度。結果顯示，潮濕環(huán)境下未縫合層合復合材料的拉伸強度幾乎沒有受到影響，而縫合復合材料的拉伸強度卻提高了12%，達到411 MPa。這些改善可能是由于鋪層角度為45°和-45°的層吸收了水分，使得面內剪切應變提高，從而提高了層與層之間的應力傳遞；并且45°和-45°層的纖維傾向與加載方向一致，從而提高了縫合復合材料的拉伸強度，因此，選用合適的鋪層順序對應用于海洋環(huán)境下的縫合復合材料而言是十分關鍵的。

縫合與未縫合層合復合材料的破壞形式基本相同，均在垂直于拉伸方向被拉斷[41]，縫合復合材料集中在針腳處斷裂，斷口整齊，分層面積小[39]。濕熱環(huán)境并不改變拉伸破壞的損傷形式，縫合復合材料在濕熱環(huán)境下的拉伸破壞的損傷形式如圖5所示?？p合孔附近的富樹脂區(qū)易吸濕塑化并產生裂紋，成為破壞的初始損傷區(qū)域[37]，還存在縫線兩側沿纖維方向的裂紋(見圖5(b))。

圖5 濕熱環(huán)境下的拉伸破壞形式Fig.5 Photomicrograph of specimen after tensile testing in hygrothermal environment. (a) Sectional view; (b) In-plane view

為提高縫合復合材料的拉伸性能，Bilisik等[43]利用超聲波將多臂碳納米管均勻地添加到樹脂基體中，浸潤纖維織物和縫線，可改善由于引入縫線帶來的纖維變形等產生的不利影響，但其不足之處是碳納米管易團聚。與酸處理改性相比，碳納米管的硅烷改性效果更好，增加了縫合復合材料的界面結合能力[44]。

3.2 壓縮性能

縫合對于層合復合材料壓縮強度的影響與纖維取向相關，對于90°的單向層合復合材料，縫合幾乎不造成影響；對于0°的單向層合復合材料，縫合會使其壓縮強度下降[45]?？p線材料和尺寸、縫合密度、縫合方向等是影響其力學性能的主要因素。

NASA[46]的壓縮實驗數據表明，在濕熱循環(huán)下縫合復合材料的壓縮強度總體下降程度并不嚴重，且集中在初期階段，這是由于濕熱循環(huán)并沒有進一步加劇縫合所引起的裂紋[47]。Furrow[47]的實驗也得到了一致的結論：經過1 280次濕熱循環(huán)后，未縫合層合復合材料的壓縮強度下降了10.3%；而采用Kevlar纖維、玻璃纖維縫合的復合材料分別下降了13.4%、18.3%。

文獻[40，42]研究了不同鋪層順序和縫合角度的縫合碳纖維/BMI復合材料的濕熱壓縮強度。結果顯示，縫合方向影響縫合復合材料的濕熱壓縮強度，且對于不同鋪層順序的縫合復合材料產生了不同的影響。采用效果最佳的縫合角度0°，在濕熱環(huán)境下縫合使得 [45/0/-45/90]4s和[0/45/-45/90/-45/0/45/0]2s鋪層的層合復合材料的壓縮強度下降20%～40%，而 [90/45/90/-45/0/-45/90/45/90]2s鋪層的層合復合材料的壓縮強度提高了10%。這可能是由于前2個層合復合材料鋪層中含0°層的比例遠高于[90/45/90/-45/0/-45/90/45/90]2s。0°層相較于其他的鋪層，在基體吸濕塑化后更易脫粘，使壓縮強度下降，因此，選用合理的鋪層順序、縫合方向和改善縫線纖維界面性能，是改善縫合復合材料濕熱壓縮性能的可行方案[39-40，45]。

縫合可改變層合復合材料在濕熱環(huán)境下壓縮破壞的損傷形式。未縫合層合復合材料的損傷形式以分層屈曲破壞為主，濕熱環(huán)境加速了其失效；而縫合能夠有效地抑制分層損傷，使得纖維斷裂成為主要的損傷形式，因此，縫合復合材料大都呈現強度式破壞，在壓縮過程中形成大量的折帶，且破壞斷口損傷面積較少，表面存在明顯斷裂的縫線[30，40]。

4 縫合復合材料在海洋環(huán)境中的應用

層合復合材料在海洋環(huán)境下應用的優(yōu)勢主要在于：一是高比強度、高比剛度；二是抵抗腐蝕和海洋環(huán)境因素[48]；三是介電性能和微波穿透性能突出，適用于軍用艦艇隱身；四是無磁性，適用于掃雷艇、獵雷艇[49]。除此之外，層合復合材料還具備阻尼性能優(yōu)異、抗沖擊韌性好等優(yōu)點，因此，層合復合材料常用于制作船舶、風力發(fā)電機、油田鉆井平臺等增強結構。通過引入縫合技術，可很大程度上提高層合復合材料在海洋環(huán)境下的抗分層能力和抗沖擊性能。

4.1 船 舶

層合復合材料被廣泛用于制作方向舵、甲板、船艙和船艙壁等增強結構。其中，碳纖維層合復合材料的應用最廣泛。船舶在海洋環(huán)境下，不可避免地受到外界的沖擊和環(huán)境的老化。通過引入適當的縫合技術，可增加其層間性能和抗沖擊性能，延長使用壽命；同時可采用縫合技術進行局部的增強或連接。

縫合結構還可提高船舶的抗電磁干擾能力。較未縫合層合復合材料，縫合復合材料軸向和法向的電磁屏蔽性能都得到了提高[50]。Abdela等[51]采用高強度、脆性的碳纖維縫線和高應變的錦綸縫線交替縫合碳纖維預制體，以實現最具平衡的力學性能和電磁屏蔽性能。此外，Kumar等[52]采用縫合工藝使插入高導電石墨烯薄膜的層合復合材料成為一個整體，減少分層現象，制備的層合復合材料可更好地起到防止雷擊作用，適用于海上航行。

4.2 海上風電

海上風能是可再生清潔能源之一，且與陸地風能相比，更為穩(wěn)定，更易獲取，產能更大。近年來，風能需求的快速增長促使行業(yè)開始設計大型風力發(fā)電機，以降低能源成本，因此，高比強度、高比剛度的層合復合材料成為制備風電葉片的首選材料，以承受葉片轉動時產生的高應力。常規(guī)的風電葉片各部位采用結構膠粘接，因此，膠接區(qū)域是葉片在服役過程中最易發(fā)生損傷的部位[53]。Venkadesh等[54]對長度為70 m的葉片進行數值模擬，結果顯示僅靠膠接作用不足以承受相應的高載荷，且膠接區(qū)域的后緣部分易出現應力集中的現象，導致葉片損傷。同時，考慮到葉片的大尺寸和海洋環(huán)境的惡劣影響，可采用縫合的方法對膠接區(qū)域進行加固。Venkadesh等[54]對葉片膠接區(qū)域的后緣部分進行縫合，如圖6所示。模擬結果顯示，縫合后葉片的失效因子都呈現降低趨勢，且都低于安全閾值。其中，以外殼和橫梁蓋為碳纖維的葉片降幅最大，達到了26%。除此之外，縫合結構還可擴展應用于潮汐能發(fā)電機葉片[55]。

圖6 葉片局部縫合加固示意圖Fig.6 Schematic diagram of blade local stitched reinforcement

4.3 海底汽油田

層合復合材料在海洋油氣開發(fā)中占領著重要位置[56-57]，油田鉆井平臺中的生產井管、抽油桿、儲藏槽、海底輸油管等部件常采用碳纖維層合復合材料制備[58]。由于深海環(huán)境下的高壓強、高腐蝕作用等不利因素，層合復合材料易受到剪切作用而產生嚴重的分層失效[57]，而縫合工藝可對易發(fā)生破壞的區(qū)域進行局部加強，很大程度上抑制分層失效的發(fā)生。

5 總結與展望

縫合復合材料具有優(yōu)異的抗層間損傷、抗沖擊等性能，在海洋資源開發(fā)和利用中具有廣泛的應用前景。目前，大量的研究工作聚焦于縫合工藝對層合復合材料性能的影響，以及海洋環(huán)境如濕熱、鹽霧等對縫合復合材料性能的影響研究?？p合工藝將增強纖維引入材料的厚度方向，顯著提高了層合復合材料抗分層、抗沖擊的能力，但同時對層合復合材料的面內性能產生一定的不利影響。應用于海洋環(huán)境的縫合復合材料易受到侵蝕，但縫合工藝的優(yōu)勢仍然突出，受到的不利影響有限?？p合復合材料的耐久性明顯提高，一些重要的研究結果對縫合復合材料在海洋環(huán)境中的應用提供了支撐。

縫合復合材料在海洋中應用的研究仍然存在以下幾個問題：第一，縫合工藝會對增強纖維造成一定的損傷，進而影響縫合復合材料的性能，亟待發(fā)展新的縫合工藝，降低縫合過程中的纖維損傷；第二，濕熱、鹽霧等海洋環(huán)境對縫合復合材料侵蝕機制研究不清晰，特別是多環(huán)境耦合侵蝕機制研究不深入；第三，縫合復合材料在海洋環(huán)境中的應用研究需進一步加強，特別是針對大型復雜結構，縫合工藝的實現和制造成本的降低仍然存在較大的挑戰(zhàn)。隨著海洋資源的大力發(fā)展，縫合復合材料具有廣泛的應用前景，相關基礎研究和應用技術研究亟待進一步深入開展。