碳纤维增强树脂基(Carbon fiber reinforced polymer，CFRP)复合材料具有优异的力学性能和可设计性，是航空和航天等领域极具吸引力的结构材料^[1]。然而，复合材料结构对面外载荷高度敏感，在服役过程中不可避免的因低速冲击(Low-velocity impact，LVI)事件产生严重的内部损伤^[2-5]。LVI损伤会降低复合材料结构的剩余承载能力，威胁飞机的运营安全^{[3, 6-9]}。

高性能CFRP复合材料作为新材料开发和研究的重点之一，在支撑并发展重点基础产业和巩固国防建设上具有重大需求，具有广泛的应用前景。由常规厚度预浸料制备的复合材料层合板的面内横向基体拉伸强度低和层间粘结性能弱，极大地限制了其在工程中的广泛应用。近年来，随着丝束工艺的不断改进，单层预浸料的可制备最小厚度得到了显著的降低，可以达到15 μm的水平，这一技术的进步给复合材料制造领域带来了新的可能性^[10]。薄铺层复合材料特指由单层厚度≤100 μm的薄铺层预浸料层合而成。与厚铺层复合材料(单层厚度＞100 μm)相比，薄铺层复合材料具有明显的损伤抑制能力，在诸多力学性能方面表现更优异^[11-17]，极有可能显著地提高先进复合材料的应用效率和扩大其应用场景。

然而，LVI载荷下，薄铺层复合材料容易出现过早的纤维断裂。例如，Yokozeki等^[18]对比了横向载荷下厚铺层层合板与薄铺层层合板的损伤特性，表明了薄铺层层合板中纤维断裂出现较早。在准静态压痕^[19]和LVI试验^[20]过程中，薄铺层织物层合板中过早的纤维损伤现象也普遍存在。纤维的过早断裂将会显著地降低复合材料结构的剩余力学性能。García-Rodríguez等^[21]基于准静态压痕、LVI和冲击后压缩(Compression after impact，CAI)试验的对比，研究了分别由薄层与标准层无卷曲织物制备层合板的抗冲击性能和不同损伤出现的先后顺序。试验结果表明，与标准层合板相比，薄铺层层合板过早的纤维断裂显著地降低了其抗冲击损伤阻抗和CAI强度。Sasikumar等^[22]提供的试验也表明， LVI载荷下薄铺层层合板中存在过早的纤维断裂是其CAI强度低于厚铺层层合板的根本原因。因此，薄铺层复合材料中纤维对面外载荷较敏感这一特点，在很大程度上限制其在工程中的广泛应用。

为了充分地利用薄铺层复合材料的损伤抑制特点，延缓和减少纤维断裂，从而提高复合材料结构的冲击损伤阻抗和剩余力学性能，厚薄层混杂设计成为了科技前沿的热点。需要说明的是，厚铺层可以由几个超薄铺层或薄铺层沿同一方向聚类而成^{[15, 23-24]}。Furtado等^[25]对薄铺层和厚铺层织物进行混杂，将层级混杂的概念引入了复合材料层合板，通过触发特定的损伤机制克服了薄铺层复合材料的一些缺点，得到了较好局部响应。Arteiro等^[23]在厚薄层混杂层合板的含缺口拉伸试验中采用聚集0°厚铺层的铺层策略，改善了结构的缺口响应。Sebaey等^[24]通过在层合板中引入了层级聚类，对比分析了有聚类和无聚类层合板的抗损伤性能和损伤容限。结果表明，与无聚类层合板相比，有聚类层合板的CAI强度提高了30%。Sebaey和Mahdi^[26]提供的另一项研究表明，在LVI载荷作用下，厚薄层混杂层合板比厚铺层层合板表现出更高的分层阈值与CAI强度。其中，厚薄层混杂层合板的铺层序列中，单独的厚铺层均被两相邻薄铺层所包围。Sasikumar等^[27]基于层级混杂的思想提出了一种非对称铺层设计。LVI和CAI试验表明，与薄铺层层合板相比，非对称铺设减少了混杂层合板中纤维断裂的数量，提高了结构的CAI强度。然而，结构刚度、强度和稳定性之间的平衡对层合板的结构设计至关重要。尽管非对称设计可在特定情况下定制损伤，但非对称层合板的集成性能较差，特别是结构稳定性和刚度方面。Sasikumar等^[22]设计了两种混杂层合板，其中，厚铺层或标准层分别与薄铺层混合，并进行了LVI与CAI试验。结果表明，厚薄层混合层合板的CAI强度比薄铺层层合板提高了40%。随后，Sasikumar等^[28]设计了一系列的厚铺层层合板和厚薄层混杂层合板，并采用数值的方法进行对比测试。数值结果表明，与厚铺层层合板相比，最佳的厚薄层混杂层合板的CAI强度提高了40%。

目前，国内外有关厚薄层混杂层合板LVI的研究相对较少，且主要集中在厚薄层混杂设计对其冲击损伤阻抗的影响，缺乏对其冲击损伤特征的定性和定量研究，因厚薄层混杂导致基准层合板和混杂层合板在压缩破坏模式上存在差异的根本原因不明确，亟需开展相应的试验研究。本文以准各向同性铺层为基准，基于等效弯曲刚度方法设计两种厚薄层混杂层合板，开展厚铺层层合板和混杂层合板的LVI试验，对比分析每组层合板的LVI动态响应，探讨界面“双扇形”分层的产生机制，定性和定量地研究厚铺层层合板和厚薄层混杂层合板的冲击损伤特征，评估厚薄层混杂设计对复合材料层合板的CAI强度和破坏模式的影响。

1.   试样制备和测试

1.1   材料选择

为了降低测试过程中由材料带来的离散性，本文选用由江苏恒神股份有限公司提供的同一生产批次两种不同纤维面密度的单向预浸料带。其中，厚铺层预浸料带的型号为EV201-35%-12KHF30F-U-200gsm-1000，面密度为200 g/m²，固化后单层厚度约为0.2 mm；薄铺层预浸料的型号为EV201-35%-12KHF30F-U-100gsm-1000，面密度为100 g/m²，固化后单层厚度约为0.1 mm。两种型号预浸料带在材料组份和树脂含量上具有一致性。该材料体系下，单向层合板的工程常数见表1。

表  1  基本材料参数

Table  1.  Basic material performance parameters

Property	Value
Longitudinal modulus, $E_{11}$/GPa	127
Transverse modulus, $E_{22}=E_{33}$/GPa	9.9
Shear modulus, $G_{12}=G_{13}=G_{23}$/GPa	4.8
Major Possion's ratio, $v_{12}=v_{13}$	0.3
Through-thickness Possion's ratio, $v_{2 B}$	0.45

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1.2   厚薄层混杂设计

厚薄层混杂设计可以在结构内部产生有益的应力分布，从而改善复合材料结构的损伤响应^{[23, 25]}。本文以铺层序列为[45/0/−45/90]_3s的厚铺层层合板A1作为基准层合板，采用Olsson等^[29]建议的等效弯曲刚度方法设计了两种厚薄层混杂层合板(分别命名为A2和A3)。该方法认为，在对厚铺层层合板与厚薄层混杂层合板的冲击响应进行公平比较时，需保证厚薄层混杂层合板与厚铺层层合板具有接近的等效弯曲刚度(${D^*}$)值^[22]。${D^*}$值计算公式为

其中，$\mu$由下式计算得到：

式中，${D_{11}}$、${D_{22}}$、${D_{66}}$和${D_{12}}$为经典层合板理论中复合材料层合板弯曲刚度矩阵的系数。

厚薄层混杂层合板A2中，(45°/−45°)薄铺层的组合分别取代了基准层合板A1中的45°和−45°厚铺层，铺层序列为[(45/−45)/0/(45/−45)/90]_3s。需要说明的是，铺层序列中，薄铺层以下划线进行了标记。厚薄层混杂层合板A3中，基准层合板A1中的45°和−45°厚铺层分别被45°和−45°单个薄铺层取代，并且在铺层序列中额外添加0°的厚铺层序列，以保持复合材料层合板的整体厚度不变。厚薄层混杂层合板A3的铺层序列为[45/0/−45/0/90]_3s。详细的铺层信息与${D^*}$值计算结果见表2。与基准层合板A1相比，混杂层合板A2和A3的${D^*}$值偏差小于5.0%。因此，铺层次序的改变对LVI和CAI响应的影响可以忽略不计^[27-28]。

表  2  铺层次序与等效弯曲刚度

Table  2.  Stacking sequences and equivalent bending stiffness

Laminate	Stacking sequences	${D^*}$/(N·m)	dv/%
A1	[45/0/−45/90]3s	502.45	0
A2	[(45/−45)/0/(45/−45)/90]3s	495.69	−1.35
A3	[45/0/−45/0/90]3s	477.58	−4.95
Note: ${d_v}$—Deviation of equivalent flexural stiffness of hybrid laminates A2 and A3 compared with baseline laminate A1.

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1.3   试样制备

按照CFRP复合材料的铺层角度，采用专业裁布机将预浸料裁剪为500 mm × 250 mm的尺寸，通过手工依次铺贴。铺贴过程中，每铺设四层预浸料进行一次抽真空步骤，以减少残留在预浸料层间的气泡。铺贴完成的预浸料堆置入热压罐(RG21，西安龙德有限公司)中进行固化，如图1(a)所示。固化过程所需温度和压力控制曲线与文献[15]保持一致。复合材料板材固化后的厚度为(4.8±0.1) mm。参照ASTM D7136标准^[30]，采用水切割设备(LTJ1613，上海狮迈科技有限公司)将成型的板材裁剪为150 mm × 100 mm的标准冲击试样件，并采用超声C扫设备(UPK-T48HS，美国物理声学公司)对待测试样件进行了检测，以确保试样制备过程中无损伤产生，如图1(b)所示。

图  1  成型与无损检测设备

Figure  1.  Molding and non-destructive testing equipment

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1.4   冲击方案

冲击试验在落锤冲击实验机(DIT202E，万测科技有限公司)上进行，如图2所示。由组内前期的研究成果可知，15 J的能量冲击下，厚度为4.8 mm的CFRP层合板损伤响应位于目视勉强可见冲击损伤(Barely visible impact damage，BVID)和允许损伤极限(Allowable damage limits，ADL)范畴内^[4]。因此，本次试验选用15 J的冲击能量，选用直径为16 mm和质量为5.5 kg的半球形锤头。

图  2  试验装置：(a)落锤冲击试验设备；(b)夹紧系统；(c)夹紧系统示意图

Figure  2.  Testing set-up: (a) Drop-weight impact test equipment; (b) Clamping system; (c) Illustration of clamping system

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1.5   压缩方案

参照ASTM D7137标准^[31]，在静态通用试验机(UTM5105X，深圳三思纵横科技股份有限公司)上进行CAI试验，如图3所示。其中，该套压缩夹具可有效抑制试样件发生整体屈曲，由怀俄明州测试夹具公司提供。压缩夹具和边界条件的示意图分别如图3(b)和图3(c)所示。压缩加载速率为0.5 mm/min。试验机压缩载荷下降20%标志着压缩测试的结束。

图  3  冲击后压缩(CAI)试验装置：(a)万能试验机；(b)抗屈曲的CAI夹具；(c)抗屈曲的CAI夹具示意图

Figure  3.  Compression after impact (CAI) test equipment: (a) Universal testing machine; (b) CAI fixture with anti-buckling ribs; (c) Schematic illustration of the CAI fixture with anti-buckling ribs

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2.   冲击曲线分析

2.1   接触力与时间曲线

图4、图5和图6分别为冲击过程中层合板A1、A2和A3的接触力-时间、接触力-位移和能量-时间曲线。由图可知，每组层合板的冲击历程曲线具有较好的重复性。另外，每组层合板接触力相关曲线上均存在明显的多峰特征。与基准层合板A1相比，混杂层合板A2和A3的接触力-时间曲线峰值的整体波动幅度较大。峰值特征与冲击过程中损伤的起始与扩展有关。15 J的冲击载荷作用下，基准层合板和混杂层合板外表面无明显纤维断裂。层合板内部无纤维断裂的说明将由下文揭层试验结果提供。因此，本文冲击接触力下降的根本原因与纤维断裂无关，与冲击过程中分层和基体的损伤有关。为了对接触力-时间曲线峰值做进一步的对比分析，本文将力-时间曲线的第一次急剧下降所对应的载荷水平定义为损伤阈值^[26]，并在图中用水平虚线进行了标记。

图  4  碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板的接触力-时间曲线

Figure  4.  Contact force-time curves of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) laminates

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图  5  CFRP层合板的接触力-位移曲线

Figure  5.  Contact force-displacement curves of CFRP laminates

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图  6  CFRP层合板的能量-时间曲线

Figure  6.  Energy-time curves of CFRP laminates

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2.2   冲击阻抗分析

图7汇总了基准层合板和混杂层合板的冲击损伤阈值和最大接触力峰值载荷。由于薄铺层复合材料对基体裂纹和界面分层具有明显的损伤抑制效应^[32-35]，混杂层合板的分层损伤投影面积和总的分层损伤面积均小于基准层合板(将在后文中进行对比说明)。因此，与基准层合板A1相比，混杂层合板A2和A3具有较高的冲击损伤阈值和最大接触力峰值，展现出较高的冲击损伤阻抗。

图  7  CFRP层合板冲击损伤阈值和最大接触力

Figure  7.  Damage threshold load and the maximum load of CFRP laminates

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3.   冲击损伤特性

3.1   冲击损伤定性分析

3.1.1   超声C扫结果

分层损伤是CFRP复合材料层合板冲击损伤最重要的损伤形式之一，备受研究者关注^{[20, 22, 27-28]}。本文采用超声C扫设备对每组层合板的分层损伤进行了无损检测，检测结果如图8所示。由于无损检测结果具有良好的重复性，每组层合板中随机选择一个试验件的结果进行对比分析。冲击完成后，冲击引入的初始凹坑在很长一段时间内基本恢复，通过触摸的方式无法识别冲击凹坑的位置。因此，图8中位于冲击位置的空白区域不是声信号的丢失，而是局部无分层损伤产生 ^[36-38]。另外，由检测结果可知，基准层合板A1的投影分层面积为3415 mm²。与基准层合板A1相比，混杂层合板A2和A3的投影分层面积分别减小了16.5%和32.9%。在基准层合板与混杂层合板的分层投影面积对比分析方面，本文15 J冲击能量下的超声C扫检测结果与文献[27]在不同冲击能量下的试验检测结果具有一致性。

图  8  CFRP层合板投影分层轮廓的超声C扫检测结果

Figure  8.  Projected damage profile of CFRP laminates obtained from C-scan inspection

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3.1.2   热揭层结果

为了进一步研究冲击载荷下的厚薄层混杂效应，本文基于环氧树脂在高温下的热解挥发特性，采用热揭层方法对含冲击损伤的复合材料层合板进行有损检测。为了清晰地观察分层信息，热揭层试验采用氯化金溶液(HAuCl₄·4H₂O，Aladdin公司生产，编号G109456)作为显影剂。实验主要过程如下：采用装配金刚砂涂层碳纤维钻头(钻孔直径为1.5 mm)的专业钻孔设备，在含冲击损伤复合材料结构的冲击点处钻削一个通孔；通孔底部进行密封形成一个复合材料“容器”，将氯化金溶液通过试管滴入复合材料“容器”中进行浸透；将浸透完成的试样置入自制真空马弗炉中进行烧结(1 h内由室温升温至430℃；430℃保温1 h；随后1 h内由430℃降至室温)；烧结完成后，采用镊子将试样逐层有序揭开，并通过相机对损伤信息进行记录^{[6, 15]}。

图9为基准层合板A1的热揭层试验结果。图中，最靠近冲击面的一层被命名为第一层，层编号为1。分层损伤表现为深色背景下的明亮区域，且仅出现在具有不同铺层方向的相邻层层间。由图可知，平面内，基准层合板中分层损伤具有明显的双扇形特征，且沿冲击点呈中心对称分布。基准层合板为对称铺层，其分层损伤沿层合板厚度方向呈双螺旋分布，且分层损伤的旋转方向受下层纤维取向影响较明显。因此，从层合板正面进行观察时，位于对称位置上方的分层旋转方向为顺时针，而位于对称位置下方的分层旋转方向为逆时针。另外，由于45°/0°、0°/−45°、−45°/90°和90°/45°界面上下相邻层的失配角为45°，这些界面的分层损伤内角约为45°。针对单层厚度一致的准各项同性层合板，本文热揭层试验提供的逐层损伤图像与文献[37]通过高频声学显微镜观察的分层损伤结果具有一致性。

图  9  基准层合板A1的逐层损伤图像

Figure  9.  Layer-by-layer damage images of the baseline laminate A1

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混杂层合板中，45°和−45°层为薄铺层复合材料。与基准层合板相比，混杂层合板的界面形式更复杂。例如，混杂层合板A2引入了纯薄铺层界面(45°/−45°)和厚薄层混杂界面(−45°/0°、−45°/90°和0°/45°)。由文献[39]研究结果可知，当界面上下相邻层的失配角为90°时，冲击载荷下分层损伤大致呈现出“花生状”。由于薄铺层复合材料具有明显的分层损伤抑制作用^[15]，混杂层合板A2中纯薄铺层界面(45°/−45°)的分层面积较小，如图10所示。由于分层损伤抑制作用带来的影响不断累积，在混杂层合板A2中，分层的中心对称性变差，且该现象在层合板下半部分更明显。另外，部分界面的分层损伤超出了上下相邻层失配角所在的范围，以满足复合材料结构对整体变形协调的需求。

图  10  混杂层合板A2的逐层损伤图像

Figure  10.  Layer-by-layer damage images of the hybrid laminate A2

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混杂层合板A3中，厚薄层混杂界面−45°/0°的分层损伤几乎被完全抑制，如图11所示。另外，在新引入的纯厚铺层界面(0°/90°)上，由于上下相邻层的失配角为90°，该界面的分层损伤呈现出“花生状”，且“花生状”分层的长轴方向与下一层的纤维铺设方向一致。

图  11  混杂层合板A3的逐层损伤图像

Figure  11.  Layer-by-layer damage images of the hybrid laminate A3

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另外，本文通过肉眼和CCD相机(Charge-coupled device，CCD)对揭层图像进行了观察，未发现基准层合板和混杂层合板中存在断裂的纤维。

3.2   分层形成机制分析

双扇形分层特征与界面相邻层的纤维取向有关。本节以−45°/0°界面为例，揭示冲击过程中CFRP复合材料层间双扇形分层的形成机制。图12阐明了冲击过程中双扇形分层的形成过程，其中分层损伤和纤维间基体裂纹以红色线条突出显示。图12(a)为CFRP复合材料的无损伤状态。冲击载荷下，复合材料层合板产生弯曲变形，从而导致层内纤维间拉伸应力增加。当纤维间的拉伸应力大于基体的拉伸破坏强度时，复合材料层内纤维间出现基体裂纹，如图12(b)所示。随着复合材料层合板弯曲变形程度的增加，纤维间基体裂纹沿层合板厚度方向扩展，进而在复合材料层界面处形成沿纤维方向的分层轮廓。该分层轮廓将界面划分为两类扇形区域：一类区域中心角为45°，另一类区域中心角为135°，如图12(c)所示。在面外载荷作用下，与中心角为135°的区域相比，中心角为45°的区域界面剪应力较大。分层倾向于在中心角为45°的区域内扩展，从而导致分层损伤具有明显的双扇形特征，如图12(d)所示。

图  12  界面双扇形分层形成机制示意图

Figure  12.  Schematic of delamination formation mechanism at interfaces

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3.3   损伤定量分析

本节基于热揭层试验数据，分别提取了每组层合板的界面分层损伤面积，如图13所示。层合板的铺层对称位置(中性层)在图中用点划线进行了标记。由图可知，基准层合板A1中，最大面积的分层位于该层合板厚度75.0%的位置(第18界面)上，距离中性层1.2 mm，其损伤面积为414 mm²；混杂层合板A2中最大面积的分层位于该层合板厚度45.8%的位置(第17界面)上，距离中性层0.2 mm，其损伤面积为299 mm²；混杂层合板A3中最大面积的分层位于该层合板厚度54.2%的位置(第16界面)上，距离中性层0.2 mm，其损伤面积为308 mm²。与基准层合板A1相比，混杂层合板A2和A3的最大分层面积分别减少了27.8%和25.6%，最大分层更靠近中性层。由统计结果可知，基准层合板A1的各界面分层损伤总面积为4663 mm²。由于薄铺层复合材料的损伤抑制作用，混杂层合板A2和A3的分层界面数量虽然明显增加，但分层损伤的总面积变化不明显，分别为4631 mm²和4298 mm²。另外，厚薄层混杂设计改变了层合板上半部分与下半部分的分层面积比。例如，基准层合板A1上半部分的分层与下半部分的分层面积比值为0.84。 与基准层合板相比，混杂层合板A2和A3中，每组层合板上半部分的分层与下半部分的分层面积比值减小，分别为0.75和0.76。

图  13  CFRP层合板界面分层损伤面积

Figure  13.  Area of interface delamination of CFRP laminates

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4.   压缩性能分析

分层的尺寸和位置是影响复合材料层合板压缩极限承载能力和破坏模式的重要因素^[40]。由上述分析可知，冲击在层合板上半部分与下半部分引入的分层尺寸和分层位置不一致，导致层合板上半部分与下半部分的纵向压缩刚度不一致。因此，冲击引入的分层损伤为CAI载荷下的复合材料提供了一个面外的初始扰动，导致复合材料结构更容易失去承载能力。图14统计了每组层合板的冲击后剩余压缩强度。由图可知，混杂层合板A2和A3的CAI强度分别为220 MPa和241 MPa，比基准层合板(184 MPa)分别提高了19.5%和30.9%。

图  14  CFRP层合板的CAI强度

Figure  14.  CAI strengths of CFRP laminated composites

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压缩过程中，冲击引入的分层主要沿层合板的冲头下方无分层损伤区域和宽度方向扩展。压缩失效后，部分分层已沿宽度方向扩展至复合材料层合板的边缘，如图15所示。分层将层合板在厚度方向划分为多个子层合板。子层合板的剪切屈曲破坏是层合板CAI失效的主要原因之一。另外，由于薄铺层的损伤抑制效应，混杂层合板中界面分层的尺寸和位置发生改变，因此导致基准层合板和混杂层合板在压缩破坏模式上存在差异。这种差异表现为基准层合板A1中未观察到贯穿试件宽度的裂纹，而混杂层合板A2和A3中存在一条贯穿试件宽度的裂纹，并且该裂纹穿过冲击点。

图  15  CFRP层合板压缩破坏模式

Figure  15.  Compression failure mode of CFRP laminated composites

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5.   结 论

本文开展了大量的试验工作，对低速冲击(Low-velocity impact，LVI)和冲击后压缩(Compression after impact，CAI)载荷下的厚薄层混杂效应进行了定性和定量的评估。主要结论如下：

(1)与基准层合板A1相比，基于等效弯曲刚度方法设计的厚薄层混杂层合板(A2和A3)，利用了薄铺层复合材料的损伤抑制特点，提高了复合材料结构的冲击损伤阻抗，表现为高的冲击损伤阈值和最大接触力峰值；

(2)基于分层损伤的定量研究表明，厚薄层混杂设计显著地降低了LVI载荷下碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料的投影分层面积及单一的最大分层面积，极大地缩短了最大分层与层合板中性层之间的距离；

(3)厚薄层混杂设计提高了复合材料结构的CAI强度。与基准层合板A1相比，混杂层合板A2和A3的CAI强度分别提高了19.5%和30.9%。