关键词：纤维编织复合材料、低速冲击、纱线角度、损伤机理
纤维编织热塑性复合材料（FWTC）因其优异的力学性能和轻量化特性，在航空航天、汽车制造及体育器材等领域得到了广泛应用。然而，在实际使用过程中，这类材料难免会受到诸如工具掉落、鸟击或冰雹撞击等低速冲击，从而产生不可见的内部损伤。随着材料受力情况的变化，这些损伤可能逐步扩展，最终导致结构失效，带来严重的安全隐患。
为了提升FWTC的抗冲击性能，研究人员开始关注影响其耐冲击性的关键因素，其中纱线角度（即编织纱线之间的夹角）被认为是影响材料力学特性的核心参数之一。
图一：（a）编织复合材料纱线角度的定义；（b）成型和固化后编织复合材料结构纱线角度的分布[1]
高飒飒等[2]通过对不同纱线角度（60°、75°、90°）的FWTC层合板进行低速冲击试验，分析其力学响应与损伤机理，以期为工程应用提供理论支持。实验采用碳纤维增强尼龙6（PA6）复合材料，通过调整编织纱线的夹角，制备出三种不同纱线角度的FWTC层合板（60°、75°、90°）。采用平板硫化机对预浸料进行热压成型。
图二：非正交预浸料（a）75°预浸料和（b）60°预浸料
该团队使用Instron Dynatup 9250HV落锤冲击试验机，对不同纱线角度的FWTC层合板进行5J和10J的低速冲击试验。通过测量最大冲击力（Fmax）、最大冲击位移（dmax）、冲击持续时间（td）及吸收能量（Eab）等关键参数，评估纱线角度对冲击响应的影响。
图三：落锤冲击装置
结果表明纱线角度对冲击力学响应有很大影响，随着纱线角度的减小，FWTC的最大冲击力（Fmax）逐渐增加，这表明较小纱线角度的层合板在冲击载荷作用下具有更高的承载能力。冲击位移（dmax）与持续时间（td）均随着纱线角度的减小而降低，说明较小纱线角度的材料刚度更高，不易发生大变形。不同纱线角度的FWTC在吸收能量（Eab）方面变化不大，表明材料对冲击能量的吸收能力主要受基体和纤维本身特性影响，而非纱线角度。
纱线角度对冲击损伤模式的影响，正交编织层合板（90°） 在5J和10J冲击能量下，表面容易出现纱线断裂，甚至在较高能量冲击下出现纤维拔出现象，损伤集中且严重。非正交编织层合板（60°、75°） 在相同冲击能量下，主要表现为基体裂痕，纤维仍保持完整，损伤较为分散且影响较小。
纱线角度对冲击损伤面积的影响，在10J冲击能量下，损伤面积随着纱线角度的减小而增大。由于正交试样的纱线曲率半径较小，冲击载荷难以有效扩散，导致局部损伤更严重，而非正交试样纱线曲率半径较大，使冲击能量能够更均匀地扩散，减少局部损伤。
图四：冲击力学响应指标变化图
他们的研究表明，纱线角度对FWTC的抗冲击性能具有显著影响：小纱线角度（60°、75°）的FWTC层合板表现出更高的抗冲击能力，能够承受更大的载荷，但冲击后的损伤面积相对较大。正交FWTC层合板（90°）则表现出更好的延展性，但在高能量冲击下容易发生纤维断裂和拔出，损伤更为集中。其研究成果为纤维编织热塑性复合材料的设计与优化提供了重要的实验依据，可用于高性能结构件的抗冲击性能的提高，提升材料使用的安全性和可靠性。
参考文献：
[1] Liang B ,Zhang W ,Fenner S J , et al.Multi-scale modeling of mechanical behavior of cured woven textile composites accounting for the influence of yarn angle variation[J].Composites Part A,2019,124105460-105460.
[2] GaoS ,ZhangY ,WangZ , et al.Effect of woven yarn angle on the low‐velocity impact damage response of fibre woven thermoplastic composites[J].Strain,2023,60(2):
