“Double-Double”铺层热塑性层合板及其在汽车结构中的应用潜力

杨刚; 沈剑; 周正扬; 吕海如; 刘仁杰; 张茜; 刘家龙; 江大志

doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20240801.001

“Double-Double”铺层热塑性层合板及其在汽车结构中的应用潜力

中山大学　材料学院，深圳 518107

基金项目: 国家自然科学基金外国学者研究基金(52350410457)

详细信息

通讯作者:
刘家龙，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为复合材料细、微结构设计和制备与应用　E-mail: liujlong9@mail.sysu.edu.cn

江大志，博士，教授，博士生导师，研究方向为复合材料结构设计和聚合物纳米复合材料　E-mail: jiangdzhi@mail.sysu.edu.cn

中图分类号: TB332
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出版历程
- 收稿日期: 2024-05-30
- 修回日期: 2024-07-14
- 录用日期: 2024-07-19
- 网络出版日期: 2024-07-31
- 刊出日期: 2024-08-31

"Double-Double" layup thermoplastic laminates and their application potential in automotive structures

School of Materials, Sun Yat-sen University, Shenzhen 518107, China

Funds: Research Fund for Foreign Scientists of the National Natural Science Foundation of China (52350410457)

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摘要

摘要: 汽车结构的轻量化是降低汽车能耗和增加续航里程的重要方式。虽然纤维增强环氧树脂等热固性基体复合材料具有极高的力学性能和轻量化潜力，但是较高的制造能耗、修复成本及较低的设计和制造效率，阻碍了其在汽车结构中的广泛应用。本文采用一种新型“Double-Double”铺层(DD)热塑性层合板([±Ф/±Ψ]_n)，试图解决以上问题。文中分析了DD层合板相较于π/4铺层(Quad)层合板在轻量化设计方面的优势，并且对比了不同铺层方式(DD、Woven、Quad铺层)及不同基体材料(热固性基体环氧树脂、热塑性基体尼龙6)层合板的力学性能和设计分析流程。结果表明：高轴向刚度DD层合板在主要载荷方向的刚度及强度远高于相同纤维、基体的Woven层合板；DD层合板的刚度性能与相同纤维、基体的Quad层合板相近，但是DD层合板的设计效率高于Quad层合板。同时，对碳纤维增强尼龙6复合材料(carbon/PA6)的DD热塑性层合板的研究发现，虽然单向carbon/PA6的拉伸模量和拉伸强度低于单向carbon/epoxy，但是DD carbon/PA6层合板仍可通过铺层设计，使主要载荷方向上的刚度和强度超过Woven carbon/epoxy层合板。并且热塑性Carbon/PA6具有优异的可修复性和回收再利用性，显示出应用于汽车结构设计的优势。
- Double-Double /
- 层合板 /
- 聚合物基复合材料 /
- 纤维 /
- 热塑性树脂 /
- 汽车结构
Abstract: The lightweight of automobile structures is an important way to reduce automobile energy consumption and increase cruising range. Although thermosetting matrix composites such as fiber reinforced epoxy have extremely high mechanical properties and lightweight potential, their applications in automotive structures are hindered by high manufacturing energy consumption, maintenance costs, and low design and manufacturing efficiency. A new type of "Double-Double" layup (DD) thermoplastic laminate ([±Ф/±Ψ]_n) is expected to solve the above problems. This paper analyzed the advantages of DD laminates compared to π/4 laminates (Quad) in lightweight design, and compared the mechanical properties and design analysis processes of laminates with different layup methods (DD, Woven, Quad layups) and different matrix materials (thermosetting epoxy resin, thermoplastic nylon 6). The results showed that the stiffness and strength of high axial stiffness DD laminates in the main load direction were much higher than those of Woven laminates with the same fiber and matrix. The stiffness performance of DD laminates was similar to that of Quad laminates with the same fiber and matrix, but the design efficiency of DD laminates was higher than that of Quad laminates. At the same time, research on DD thermoplastic laminates of carbon fiber reinforced nylon 6 composites (carbon/PA6) found that although the tensile modulus and tensile strength of unidirectional carbon/PA6 were lower than those of unidirectional carbon/epoxy, DD carbon/PA6 laminates could still be designed through the layup so that the stiffness and strength in the main load direction exceeded that of Woven carbon/epoxy laminates. Moreover, themoplastic carbon/PA6 has excellent repairability and recyclability, showing its advantages in automobile structural design.
- Double-Double /
- laminates /
- polymer-matrix composites /
- fiber /
- thermoplastic resin /
- automotive structure

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汽车结构的轻量化是汽车减少CO₂排放、提升能源利用效率的重要方式^[1]。车辆质量每减少10 kg，碳排放量就会减少1 g/km；车辆质量减轻25%，每年可节省近2.5亿桶原油^[2]。由于优秀的比刚度和比强度，纤维增强聚合物复合材料(FRP)已应用于汽车底盘、保险杠、发动机支架、顶板、电池箱等结构部件中^[3]，且具有极高的汽车部件轻量化的潜力^[4-6]。

然而，传统铺层方式的FRP存在着轻量化设计水平较低、设计效率较低的问题。汽车工业使用的FRP结构多为面内正交各向同性的织物铺层(Woven)层合板，难以通过铺层设计有效降低材料用量。与汽车等工业领域不同，航空航天结构多采用π/4铺层方式，即Quad层合板，工程师依照部件的承载形式，通过调整层合板中0°、90°、±45°铺层的数量和位置，设计制造在特定位置及方向上高强度、高刚度的Quad层合板，以此显著减轻部件质量^[7]。然而，由于设计规则复杂及各向异性^[7]，不同铺层的Quad层合板在承载时会出现不同大小、形状及位置的分层、基体开裂及纤维断裂破坏形式，因此设计和分析复杂、耗时耗力，设计效率较低^[7-8]。另外，热固性基体FRP虽然表现出优异的力学性能，但也存在着制造效率较低、能耗较高、回收和修复性差等问题^[9]。

由于汽车型号快速的更新换代，汽车部件需要高效设计；庞大的制造数量，使FRP汽车部件的高制造效率(低制造成本)必不可少，对于制造成本较高的FRP，降低材料的用量(轻量化)是降低汽车部件成本的主要方式；汽车部件的可修复性及回收再利用能力也会显著影响车辆的使用成本。传统的纤维增强环氧树脂等热固性基体复合材料的Woven层合板和Quad层合板均无法同时满足汽车结构以上的要求。因此，研发轻量化、高效设计及低制造、修复和回收成本的新型FRP汽车材料和结构具有重要意义，而其研发可以通过结合热塑性基体材料和新型铺层方式入手^[10-11]。

“Double-Double”铺层(DD)层合板^[11]是指纤维具有[±Ф/±Ψ]_n铺层顺序的层合板结构，DD层合板可以依照部件的主要载荷方向，通过调整此方向上的两组铺层角度以达到所需的强度与刚度，大幅减少材料用量^[7-8]；同时，DD层合板具有均质材料的破坏特性^[10]，降低了设计与分析的复杂性和难度，因而设计效率较高^[7-8]。

自Tsai等^[12]于2017年提出DD铺层结构后，多位学者开展了相关研究。Shrivastava等^[13]采用人工智能(AI)遗传算法，用DD层合板取代Quad层合板进行飞机机翼面板的质量优化；结果显示，应用经铺层设计优化的DD层合板([±0/±54]₄和[±13/±65]₄)，比应用初始Quad层合板([0₆/90₂/±45]₄和[0/90/±45]_{5 s})降低了68%~70%的材料质量。Furtado等^[14]使用四种机器算法(XGBoost、随机森林、高斯过程和人工神经网络)，研究了机器学习技术在预测DD层合板开孔拉伸强度的统计分布方面的应用，发现高斯过程和人工神经网络这两种算法具有更好的能力。Vermes等^[10]认为，相比于Quad层合板，DD层合板的子层合板层数少、重复次数多，可以实现铺层的准均质化，因此DD层合板的设计和制造流程更简单、稳定；经铺层设计优化的DD层合板可以提供与最佳的Quad层合板相同的强度，同时减轻约6%的材料质量。除此之外，Vijayachandran和Waas^[15]通过模拟研究发现，同等质量下，碳纤维增强环氧树脂复合材料(carbon/epoxy)的DD层合板的临界屈曲载荷比Quad carbon/epoxy层合板高出58%。Zhao等^[16]通过双悬臂梁实验研究了DD层合板界面的分层扩展行为，发现0°/0°、90°/0°、Ψ/Φ、–Ψ/Φ界面处的初始断裂韧性值相近，但是Ψ/Φ界面处的稳态断裂韧性值比–Ψ/Φ界面处至少高20%。

另一方面，应低碳和可持续发展政策的需求，纤维增强热塑性基体复合材料(FRTP)近年受到了很大的关注^{[4, 17]}。与传统的热固性树脂相比，热塑性树脂具有再加工性，并且回收再利用和可修复性突出^[18]。随着FRTP制造工艺的发展^[19]，纤维-基体界面结合弱的问题^[17]也逐渐被突破^[3]，多家复合材料制造企业于近年推出了新型FRTP产品^[20]。具体来说，在力学性能方面，以碳纤维增强热塑性基体复合材料为例，其中的碳纤维增强尼龙6复合材料(carbon/PA6)的力学性能已能够接近同级别的carbon/epoxy^[21-22]。在部件制造成本方面，FRTP部件经切割、铺层后再进行数分钟的模压成型再冷却^[23]，生产效率高于数小时固化的热固性基体FRP的树脂传递模塑成型(RTM)及纤维预浸料-热压罐(Prepreg-Autoclave)成型^[22]。同时，受损的热塑性基体可以通过熔接技术(感应焊、电阻焊和超声波焊)局部熔化并重新固结，修复工艺简单、高效且成本低^[24-25]。

综上所述，DD层合板具有设计和分析效率高、力学性能可设计的优势，FRTP具有低制造成本、可修复及可回收再利用的特点，因此FRTP的DD层合板(DD-FRTP)可望同时满足汽车工业对部件轻量化、可高效设计及低制造、修复和回收成本的要求。

本文将首先讨论DD层合板在轻量化设计上相较于Quad层合板的优势，再通过实验研究不同的铺层方式(DD、Woven和Quad铺层)及基体材料(热固性基体环氧树脂、热塑性基体尼龙6)对层合板在主要载荷方向的力学性能的影响，并且分析DD-FRTP用于汽车结构设计的优势。

1. DD层合板的轻量化优势

铺层设计可实现复合材料层合板的轻量化，如Quad铺层结构(图1)已广泛应用于对轻量化要求高的航空航天领域^[7]。

图 1 由0°、90°、±45°铺层构成的Quad层合板

Figure 1. Quad laminates consisting of 0°, 90°, ±45° plies

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然而，Quad层合板属于非均质性结构^[7]，其铺层设计方法复杂，涉及10%规则、中面对称、平衡铺层设计等^[26]；铺层角度限制于0°、90°、±45°，层合板设计刚度的变化会完全改变铺层顺序。不同铺层顺序的Quad层合板在受到冲击时会出现不同的破坏形式，例如，提高铺层顺序为[0/90/0/45/−45/0/45/−45]_2s的Quad层合板10%轴向刚度后的新铺层顺序是[0/90/0/90/0/0/45/−45]_2s，两者差别较大。冲击能量20.1 J的低速冲击结果(ASTM D7136/D7136M^[27])显示(图2)，以上两种Quad carbon/epoxy层合板的分层大小和位置变化显著。由于分层对层合板的力学性能有很大的影响^[28-29]，因此改变Quad层合板的铺层设计后需要通过复杂的模拟或实验，分析新层合板的冲击破坏形式及力学性能，导致设计效率较低、成本高昂^[7-8]。与设计周期长的商业飞机不同，汽车结构部件的迭代频率高，随着产品的更新，FRP部件的铺层结构需要重新设计以满足新的形状、载重要求，这对于FRP的传统铺层方式(如Woven铺层、Quad铺层)是极大的挑战。

图 2 Quad层合板冲击中心的分层侧面图

Figure 2. Side view of delamination in the impact center of Quad laminates

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采用DD铺层(图3)可以简化传统层合板的铺层设计。首先，由于DD层合板具有固定的次级结构单元[±Ф/±Ψ](包含4层)及重复的铺层顺序，设计简单且客观。其次，DD层合板具有更强的设计性。以总层数为20的Quad T700/2510层合板(20-ply Quad)为例，受限于上文所述的Quad层合板设计规则^[26]，层合板正则化刚度分量A₁₁^*的设计如图4(a)所示^[7]，柱体代表由0°、90°、±45°铺层角度可构成的铺层组合，共66种；其中，斜线柱体是根据相应设计规则，可行的Quad铺层结构，共16种，占比仅为16/66。这说明Quad层合板的刚度设计范围小且不连续。如图4(b)所示，与前者Quad层合板相同层数、纤维及基体的DD层合板([±Ф/±Ψ]₅)，以10°角度增量为例(即Ф、Ψ取值为0°、10°、20°、…90°)，产生了各种刚度特性的组合。当DD层合板的角度增量足够小时，其对应A₁₁^*的3D表面图也更接近于光滑曲面。这说明DD层合板的刚度设计范围更广，且可连续变化。

图 3 “Double-Double”铺层(DD)层合板示意图

Figure 3. Schematic diagram of "Double-Double" layup (DD) laminates

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图 4 A₁₁^*可设计性对比：(a)Quad层合板；(b)DD层合板

Figure 4. A₁₁^*designability comparison: (a) Quad laminate; (b) DD laminate

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其次，DD层合板可以通过铺层标度效应或材料标度效应来预测其强度^[30]，如图5所示。以DD carbon/epoxy层合板的开孔拉伸强度的铺层标度效应为例，若[90/0/90/0]_n的比值为0.68，[60/0/−60/0]_n(60/0)的比值为0.98，[15/0/−15/0]_n(15/0)的比值为1.36；已知[90/0/90/0]_n的DD carbon/epoxy层合板的开孔拉伸强度(OHT strength)为 ${X}_{\mathrm{t}}$ ，根据铺层标度效应，则60/0-carbon/epoxy的开孔拉伸强度为1.44 ${X}_{\mathrm{t}}$ ，如下式所示：

图 5 DD层合板的铺层标度效应和材料标度效应

Figure 5. Layup scaling and material scaling of DD laminates

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$\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{T}\; \mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{g}\mathrm{t}\mathrm{h}\left(60/0\right)=X_{\mathrm{t}}\frac{0.98\left([60/0/-60/0]_n\right)}{0.68\left([90/0/90/0]_n\right)}$

(1)

类似地，15/0-carbon/epoxy的开孔拉伸强度为2 ${X}_{\mathrm{t}}$ ，如下式所示：

$\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{T}\; \mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{g}\mathrm{t}\mathrm{h\ }\left(15/0\right)=X_{\mathrm{t}}\frac{1.36\left([15/0/-15/0]_n\right)}{0.68\left([90/0/90/0]_n\right)}$

(2)

其他铺层的DD carbon/epoxy层合板的开孔拉伸强度也可通过同样的方式进行预测，误差绝对值在10%以内；而DD层合板具体的铺层标度效应比值可以通过有限元分析方法得到^[31]。因此，当材料或者铺层改变时，DD层合板可以通过标度效应准确地预测力学性能，这对于降低设计成本具有重要意义。

最后，DD层合板可以通过3~4次结构单元的重复以具有准均质材料的特性，其中结构单元的最佳铺层顺序为[Ф/−Ψ/−Ф/Ψ]_n或[Φ/−Ψ/Ψ/−Φ]_n^[32]；因此，相较于传统铺层层合板，DD层合板在层降、轻量化、部件均质化等方面更有优势^[33]。DD层合板刚度的小幅改变并不会大幅改变铺层角度，也不会改变铺层顺序。例如，与图2中[0/90/0/45/−45/0/45/−45]_2s Quad层合板的轴向刚度相近的DD层合板铺层为[60/0/−60/0]₈，提高10%的轴向刚度后的DD铺层为[49/0/−49/0]₈，对这两种DD carbon/epoxy层合板进行冲击能量为20.1 J的低速冲击(ASTM D7136/D7136M^[27])。由于这两种DD层合板的铺层顺序与层数相同，且铺层角度只有小的变化，因此破坏形式相近。相比于图2显示的两种Quad层合板的冲击破坏形式，如图6所示的两种DD层合板没有出现大分层现象，存在的小分层也都呈现阶梯状，具有一定的规律性，易于预测。由此可见，DD铺层设计可提高层合板的设计与分析效率^[7-8]。

图 6 DD层合板冲击中心的分层侧面图

Figure 6. Side view of DD laminate impact center delamination

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2. 不同铺层方式、基体材料层合板的力学性能测试

为对比分析铺层方式、基体对层合板力学性能的影响规律，本文测试了不同基体材料和不同铺层方式层合板的开孔拉伸(OHT)及弯曲性能。本文所用预浸料如表1所示，分别为T700碳纤维增强环氧树脂单向预浸料(威海光威复合材料股份有限公司，USN17500)、T700碳纤维增强环氧树脂正交织物预浸料(威海光威复合材料股份有限公司，WP-7011)及T700碳纤维增强尼龙6单向预浸料(MaruHachi Group, Japan，MCP1223)。

表 1 预浸料USN17500、WP-7011和MCP1223的基本属性^[21]

Table 1. Basic material properties of prepregs with material numbers USN17500, WP-7011 and MCP1223^[21]

Property	USN17500	WP-7011	MCP1223
Configuration	Unidirection	Fabric (plain)	Unidirection
Ply thickness/mm	0.18	0.40	0.16
Areal density/(g·m⁻²)	292	667	240
Carbon fiber mass fraction/%	71.5±1.5 (Cured)	71.5±1.5 (Cured)	63
Tensile strength (fiber direction)/MPa	2300	650	1580
In-plane modulus (fiber direction)/GPa	115	50	103
Compressive strength (fiber direction)/MPa	1050	–	626
Interlaminar shear strength/MPa	55	50	–

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两款热固性预浸料(USN17500、WP-7011)层合板的真空袋压程序：真空压力0.08 MPa，升温速率2℃/min，从室温升至130℃，保温1.5 h，然后冷却至60℃脱模。热塑性预浸料(MCP1223)层合板的热压程序：在烘箱中60℃干燥1 h，然后采用热压机加压2.5 MPa，以3℃/min的升温速率，从室温升至240℃，保温20 min，最后冷却至60℃脱模。

表2列出了不同铺层的DD层合板及Woven层合板试件代号及相关信息，通过开孔拉伸(OHT)及三点弯曲实验对比其力学性能；表3所示为具有相近设计刚度的DD层合板与Quad层合板试件代号及相关信息，通过开孔拉伸及三点弯曲实验对比其力学性能。

表 2 DD层合板与Woven层合板力学性能对比实验的层合板信息

Table 2. Laminate information of comparative experiments on mechanical properties between DD laminates and Woven laminates

Designation	Layup	Designed A₁₁/(10⁸ N·m⁻¹)	Material	Prepreg
60/10-Epoxy	[60/−10/10/−60]₄	1.804	carbon/epoxy	USN17500
30/15-Epoxy	[30/−15/15/−30]₄	2.474	carbon/epoxy	USN17500
15/0-Epoxy	[15/0/−15/0]₄	3.139	carbon/epoxy	USN17500
60/10-PA6	[60/−10/10/−60]₄	1.551	carbon/PA6	MCP1223
30/15-PA6	[30/−15/15/−30]₄	2.174	carbon/PA6	MCP1223
15/0-PA6	[15/0/−15/0]₄	2.795	carbon/PA6	MCP1223
Woven-Epoxy	Fabric (plain)	1.734	carbon/epoxy	WP-7011

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表 3 DD层合板与Quad层合板力学性能对比实验的层合板信息

Table 3. Laminate information of comparative experiments on mechanical properties between DD laminates and Quad laminates

Designation	Layup	Designed A₁₁/(10⁸N·m⁻¹)	Material	Prepreg
60/10-Epoxy	[60/−10/10/−60]₄	1.804	carbon/epoxy	USN17500
Quad-Epoxy	[45/0/−45/0/90/45/−45/0]_s	1.802	carbon/epoxy	USN17500
60/10-PA6	[60/−10/10/−60]₄	1.551	carbon/PA6	MCP1223
Quad-PA6	[45/0/−45/0/90/45/−45/0]_s	1.548	carbon/PA6	MCP1223

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图7(a)是开孔拉伸试样，根据ASTM D5766/D5766M^[34]测试标准制作、加工并测试；采用力试LE5105电子万能试验机加载，加载速率为2 mm/min，采用标距长度为l₀=50 mm的夹式引伸计测量纵向应变。层合板的开孔拉伸极限强度( ${F}_{x}^{{\mathrm{OHTu}}}$ )如下式所示：

${F}_{{x}}^{\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{T}\mathrm{u}}={P}^{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}/A$

(3)

其中： ${P}^{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}$ 为试样的最大承载力； $A$ 为总横截面积(不考虑孔)。

图 7 开孔拉伸试样(a)和三点弯曲试样(b)的尺寸参数

Figure 7. Specimen configurations of the OHT test (a) and three-point bending test (b)

Φ—Diameter

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图7(b)是三点弯曲试样，根据ASTM D790^[35]测试标准制作、加工并测试；采用力试LE3104电子万能试验机加载，跨厚比(Span-to-depth ratio)为32∶1；加载速率为4.5 mm/min，如下式所示：

$R=Z{L}^{2}/6d$

(4)

其中：R为加载速率(mm/min)；L为跨距；d为试样厚度；Z为外层纤维拉伸率。

层合板的弯曲强度( ${\sigma }_{\mathrm{f}\mathrm{M}}$ )如下式所示：

${\sigma }_{\mathrm{f}\mathrm{M}}=3{P}_{\mathrm{M}}L/2b{d}^{2}$

(5)

其中： ${P}_{\mathrm{M}}$ 为力-挠度曲线上的峰值力； $L$ 为试样支架的跨度； $b$ 为试样的宽度； $d$ 为试样的厚度。

层合板的弯曲模量( ${E}_{\mathrm{B}}$ )如下式所示：

${E}_{\mathrm{B}}={L}^{3}m/4b{d}^{3}$

(6)

其中： ${E}_{\mathrm{B}}$ 为弯曲弹性模量； $m$ 为力-挠度曲线初始直线部分的切线斜率。

每种材料/DD铺层组合的层合板最多测试6个试样。

3. 实验结果与对比分析

3.1 DD层合板与Woven层合板的力学性能对比

图8所示为DD层合板和Woven层合板的开孔拉伸实验的代表性应力-应变曲线。随着轴向刚度的增加(表2)，相同材料的DD层合板的开孔拉伸强度增大；[15/0/−15/0]₄铺层carbon/epoxy的DD层合板(15/0-Epoxy)的刚度远高于carbon/epoxy的Woven层合板(Woven-Epoxy)。如图9所示，在高轴向刚度的DD层合板中，纤维断裂是主要的破坏形式，因此纤维的综合承载能力决定了DD层合板的强度。纤维性能越强，或者DD层合板的铺层角度Ф与Ψ越偏向于小角度的组合，纤维的承载效率越高，DD层合板的轴向强度越大。

图 8 DD层合板和Woven层合板开孔拉伸实验的代表性应力-应变曲线

Figure 8. Representative stress-strain curves of the OHT test for DD laminates and Woven laminates

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图 9 15/0-Epoxy(a)和15/0-PA6(b)的开孔拉伸破坏形式

Figure 9. OHT damage patterns of 15/0-Epoxy (a) and 15/0-PA6 (b)

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如表4所示，15/0-Epoxy与30/15-Epoxy DD层合板的开孔拉伸强度分别比Woven-Epoxy层合板高88.7%和34.3%，而60/10-Epoxy的开孔拉伸强度略高于Woven-Epoxy，由于60/10-Epoxy中的大铺层角度±60°降低了轴向的强度。综合来看，在纤维及基体相同的条件下，经过设计的高轴向刚度的DD层合板的刚度和开孔拉伸强度远高于相近纤维质量分数的Woven层合板。相比之下，DD carbon/PA6层合板的力学性能低于相同铺层的DD carbon/epoxy层合板。这是由于所用的T700碳纤维增强尼龙6单向预浸料(MCP1223)的碳纤维质量分数为63wt%，低于T700碳纤维增强环氧树脂单向预浸料(USN17500)固化后的碳纤维质量分数(71.5%±1.5%)。由于T700碳纤维增强环氧树脂正交织物预浸料(WP-7011)与USN17500固化后的碳纤维质量分数相同，Woven-Epoxy的开孔拉伸强度高于轴向刚度低的60/10-PA6；但是通过铺层设计，DD carbon/PA6层合板(例如15/0-PA6)仍可使主要载荷方向上的刚度及强度超过Woven carbon/epoxy层合板。

表 4 DD层合板与Woven层合板的开孔拉伸强度

Table 4. OHT strength of DD laminates and Woven laminates

Designation	OHT strength/MPa	CV/%
60/10-Epoxy	558.9	4.0
30/15-Epoxy	689.3	3.0
15/0-Epoxy	968.4	3.4
60/10-PA6	401.4	2.9
30/15-PA6	471.9	2.0
15/0-PA6	592.8	3.3
Woven-Epoxy	513.3	4.3
Note: CV—Sample coefficient of variation.

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图10所示为DD层合板和Woven层合板三点弯曲实验的代表性力-挠度曲线，其中DD铺层选取了所研究层合板中轴向刚度最大的[15/0/−15/0]₄及轴向刚度最小的[60/−10/10/−60]₄。正如预期的那样，随着所设计的主要载荷方向刚度的增加，DD层合板的最大弯曲力升高，说明其弯曲强度增大；峰值力对应的挠度降低。表5所示为DD层合板与Woven层合板的弯曲强度和模量。与开孔拉伸强度的规律相似，低轴向刚度的60/10-Epoxy的弯曲强度与弯曲模量略高于Woven-Epoxy，而高轴向刚度的15/0-Epoxy的弯曲强度与弯曲模量分别比Woven-Epoxy 高60.3%和83.8%。即使单向carbon/PA6的力学性能低于单向carbon/epoxy，经过高轴向刚度设计的15/0-PA6的弯曲强度与弯曲模量也远超Woven-Epoxy，分别高出45.3%和71.1%。

图 10 DD层合板和Woven层合板三点弯曲实验的代表性力-挠度曲线

Figure 10. Representative load-deflection curves of the three-point bending test for DD laminates and Woven laminates

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表 5 DD层合板与Woven层合板的弯曲强度和模量

Table 5. Flexural strength and modulus of DD laminates and Woven laminates

Designation	Flexural strength/MPa	CV/%	Flexural modulus/GPa
60/10-Epoxy	840.6	9.9	57.7
15/0-Epoxy	1110.1	1.6	100.8
60/10-PA6	612.2	15.2	43.3
15/0-PA6	1006.2	7.0	93.8
Woven-Epoxy	692.4	6.1	54.8

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因此，对于高轴向刚度设计要求的部件，在相同纤维、基体的情况下，与Woven层合板相比，DD层合板由于具有更高的刚度和强度，可相应地降低厚度，从而减少材料用量，实现轻量化。即便使用力学性能较低的热塑性基体复合材料，DD铺层热塑性层合板仍可以通过铺层设计提高特定方向的承载性能，实现轻量化。

DD层合板和Woven层合板的三点弯曲破坏形式如图11所示，失效时，测试试样上表面的压缩位出现了屈曲，而下表面的拉伸位无明显纤维破坏。同时，对于DD层合板(图11(a)~11(d))，由于具有准均质性，总体的分层现象较分散、均匀；热固性基体环氧树脂的韧性较低，60/10-Epoxy试样的上半部出现了因屈曲而进一步引发的分层。更高韧性的热塑性体系的分层程度低于热固性体系；随着轴向刚度的降低，基体破坏的程度增加。对于Woven层合板(图11(e))，分层现象在厚度方向上广泛存在，具体表现为图10中Woven-Epoxy的力-挠度曲线在达到最大弯曲力之前，有一定程度的波动，而DD层合板的力-挠度曲线没有出现该现象；由于Woven层合板中的碳纤维具有平纹织物形态，阻碍了分层的扩展，因此Woven-Epoxy的分层较小。

图 11 DD层合板和Woven层合板三点弯曲破坏形式：(a) 15/0-Epoxy；(b) 15/0-PA6；(c) 60/10-Epoxy；(d) 60/10-PA6；(e) Woven-Epoxy

Figure 11. Three-point bending damage patterns of DD laminates and Woven laminates: (a) 15/0-Epoxy; (b) 15/0-PA6; (c) 60/10-Epoxy; (d) 60/10-PA6; (e) Woven-Epoxy

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3.2 DD层合板与Quad层合板的力学性能对比

图12所示为DD层合板和Quad层合板开孔拉伸实验的代表性应力-应变曲线和表6所示的开孔拉伸强度，对比DD层合板与Quad层合板，当所设计的主要载荷方向的刚度相近时(表3)，不论是热固性的carbon/epoxy还是热塑性的carbon/PA6，DD层合板的开孔拉伸强度皆与其对应的Quad层合板相近。如图13和表7所示，DD层合板的弯曲模量及弯曲强度也与相近刚度设计的Quad层合板接近。因此，在开孔拉伸和弯曲力学性能方面，DD铺层结构可以替代相近刚度设计的Quad铺层结构。如本文第1节所述，由于DD层合板在设计效率及轻量化方面强于Quad层合板，因此，综合考虑层合板的设计效率、轻量化及力学性能的情况下，DD层合板优于传统Quad层合板。

图 12 DD层合板和Quad层合板开孔拉伸实验的代表性应力-应变曲线

Figure 12. Representative stress-strain curves of the OHT test for DD laminates and Quad laminates

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表 6 DD层合板与Quad层合板的开孔拉伸强度

Table 6. OHT strength of DD laminates and Quad laminates

Designation	OHT strength/MPa	CV/%
60/10-Epoxy	558.9	4.0
Quad-Epoxy	537.6	1.6
60/10-PA6	401.4	2.9
Quad-PA6	405.4	2.8

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图 13 DD层合板和Quad层合板三点弯曲实验的代表性力-挠度曲线

Figure 13. Representative load-deflection curves of the three-point bending test for DD laminates and Quad laminates

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表 7 DD层合板与Quad层合板的弯曲强度和模量

Table 7. Flexural strength and modulus of DD laminates and Quad laminates

Designation	Flexural strength/MPa	CV/%	Flexural modulus/GPa
60/10-Epoxy	840.6	9.9	57.7
Quad-Epoxy	794.3	3.9	54.6
60/10-PA6	612.2	15.2	43.3
Quad-PA6	526.0	8.0	38.9

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另外，相近刚度设计的DD层合板和Quad层合板的弯曲破坏形式如图14所示。失效时，测试试样上表面的压缩位出现了屈曲，而下表面的拉伸位出现了基体破坏。存在明显差异之处为，准均质性的DD层合板下半部的分层较分散、均匀，无大分层现象(图14(a)、图14(b))；而非均质性的Quad层合板由于相邻层之间工程性能的失配^[36-37]，在下半部相同位置的0°层附近都出现了大分层(图14(c)、图14(d))，具体为第三层和第四层之间。

图 14 DD层合板和Quad层合板三点弯曲破坏形式：(a) 60/10-Epoxy；(b) 60/10-PA6；(c) Quad-Epoxy；(d) Quad-PA6

Figure 14. Three-point bending damage patterns of DD laminates and Quad laminates: (a) 60/10-Epoxy; (b) 60/10-PA6; (c) Quad-Epoxy; (d) Quad-PA6

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3.3 DD层合板用于汽车结构设计的潜力

如引言部分所述，考虑到环境及经济效应，汽车结构部件的轻量化具有重要意义。同时，全球采购、技术进步、行业重组等因素要求汽车行业具备快速制造和大规模定制的能力，在尽可能短的时间内，使用更少的资源和材料提供多种型号的产品^[38]。

近年来，FRP基于其质量轻及与金属相比具有竞争力的机械性能，在汽车结构部件中的应用迅速扩大。同时，作为一种新型铺层方式，DD铺层具有优异的设计性。汽车结构应用的传统Woven层合板，虽然不需要精细的铺层设计，降低了设计成本，但是也意味着其无法进行强度和刚度的灵活设计及轻量化；而DD层合板可以通过铺层设计实现性能设计和轻量化，符合汽车结构降低复合材料成本的需求。另外，如本文第1节所述，DD层合板具有标度效应，且可以通过3~4次结构单元的重复以具有准均质材料的特性。因此，相较于Quad层合板，DD层合板在设计效率及轻量化方面更具有优势。例如，DD层合板不需要遵循中面对称等规则，使其铺层的堆叠和铺设更加简单；为了美观或轻载的区域，层合板厚度需要逐渐变薄，由于中面对称等设计规则，Quad层合板的层降(Ply drop)需要成对并且对称，这导致层降可能位于Quad层合板的内部，从而产生相应的缺陷；而且不同的层降区域对应着不同的Quad铺层结构，导致相应部件的不同区域的刚度和强度不一致^[31]。相比之下，如图15所示，准均质性的DD层合板的层降可以位于外表面，不会出现内部的不连续性、空隙，产品具有更好的质量；而且以结构单元为单位的层降使部件的每个区域的刚度和强度一致，因此部件整体不存在严重的变形和翘曲问题，同时相应的设计、制造和测试简单。这同样符合汽车结构的要求。

图 15 DD层合板的层降方式

Figure 15. Ply drop of DD laminates

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另一方面，对于纤维增强环氧树脂等热固性基体层合板，受限于树脂较长的固化时间，其制造效率较低；同时，热固性基体的复合材料难以修复和回收再利用。相比之下，FRTP的模压成型时间仅需要数分钟，再经冷却后脱模，生产效率远超过纤维增强环氧类热固性树脂，这满足了汽车工业快速制造的要求；同时，热塑性树脂的可加工性和再加工性突出，化学成分危害性较小，保质期长且稳定，具有优异的修复性及回收再利用能力，而优异的修复性对易遭受剐蹭、冲击的汽车部件非常重要^[39]。因此，结合了低制造成本的FRTP与轻量化、高设计效率的DD铺层结构的DD-FRTP，其DD铺层设计效率高，可降低材料用量并实现轻量化，而热塑性基体可快速热压成型，可回收也具有较低的修复成本，具有应用于汽车结构的潜力。

4. 结论

本文围绕纤维增强聚合物复合材料(FRP)层合板应用于汽车结构面临的轻量化(材料成本)、设计效率及制造、修复、回收成本的问题，提出了“Double-Double”铺层热塑性层合板(DD-FRTP)的设计思路，并采用对比分析与实验验证的方法讨论了DD层合板的轻量化、设计效率及FRTP成本方面的优势。

(1)开孔拉伸和弯曲加载实验结果说明，在使用相同纤维及基体的情况下，高轴向刚度的DD层合板在主要载荷方向的刚度和强度远高于Woven层合板；DD层合板的强度与相似刚度设计的Quad层合板相近，同时DD层合板的设计效率高于Quad层合板。因此，DD层合板具有高设计效率及轻量化的潜力。

(2)即使热塑性carbon/PA6的力学性能低于热固性carbon/epoxy，通过DD铺层设计，高轴向刚度的DD carbon/PA6层合板的力学性能仍可高于Woven carbon/epoxy层合板。同时，“Double-Double”铺层热塑性层合板具有较低的制造、修复、回收再利用成本。

图 1 由0°、90°、±45°铺层构成的Quad层合板

Figure 1. Quad laminates consisting of 0°, 90°, ±45° plies

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图 2 Quad层合板冲击中心的分层侧面图

Figure 2. Side view of delamination in the impact center of Quad laminates

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图 3 “Double-Double”铺层(DD)层合板示意图

Figure 3. Schematic diagram of "Double-Double" layup (DD) laminates

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图 4 A₁₁^*可设计性对比：(a)Quad层合板；(b)DD层合板

Figure 4. A₁₁^*designability comparison: (a) Quad laminate; (b) DD laminate

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图 5 DD层合板的铺层标度效应和材料标度效应

Figure 5. Layup scaling and material scaling of DD laminates

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图 6 DD层合板冲击中心的分层侧面图

Figure 6. Side view of DD laminate impact center delamination

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图 7 开孔拉伸试样(a)和三点弯曲试样(b)的尺寸参数

Figure 7. Specimen configurations of the OHT test (a) and three-point bending test (b)

Φ—Diameter

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图 8 DD层合板和Woven层合板开孔拉伸实验的代表性应力-应变曲线

Figure 8. Representative stress-strain curves of the OHT test for DD laminates and Woven laminates

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图 9 15/0-Epoxy(a)和15/0-PA6(b)的开孔拉伸破坏形式

Figure 9. OHT damage patterns of 15/0-Epoxy (a) and 15/0-PA6 (b)

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图 10 DD层合板和Woven层合板三点弯曲实验的代表性力-挠度曲线

Figure 10. Representative load-deflection curves of the three-point bending test for DD laminates and Woven laminates

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图 11 DD层合板和Woven层合板三点弯曲破坏形式：(a) 15/0-Epoxy；(b) 15/0-PA6；(c) 60/10-Epoxy；(d) 60/10-PA6；(e) Woven-Epoxy

Figure 11. Three-point bending damage patterns of DD laminates and Woven laminates: (a) 15/0-Epoxy; (b) 15/0-PA6; (c) 60/10-Epoxy; (d) 60/10-PA6; (e) Woven-Epoxy

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图 12 DD层合板和Quad层合板开孔拉伸实验的代表性应力-应变曲线

Figure 12. Representative stress-strain curves of the OHT test for DD laminates and Quad laminates

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图 13 DD层合板和Quad层合板三点弯曲实验的代表性力-挠度曲线

Figure 13. Representative load-deflection curves of the three-point bending test for DD laminates and Quad laminates

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图 14 DD层合板和Quad层合板三点弯曲破坏形式：(a) 60/10-Epoxy；(b) 60/10-PA6；(c) Quad-Epoxy；(d) Quad-PA6

Figure 14. Three-point bending damage patterns of DD laminates and Quad laminates: (a) 60/10-Epoxy; (b) 60/10-PA6; (c) Quad-Epoxy; (d) Quad-PA6

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图 15 DD层合板的层降方式

Figure 15. Ply drop of DD laminates

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表 1 预浸料USN17500、WP-7011和MCP1223的基本属性^[21]

Table 1 Basic material properties of prepregs with material numbers USN17500, WP-7011 and MCP1223^[21]

Property	USN17500	WP-7011	MCP1223
Configuration	Unidirection	Fabric (plain)	Unidirection
Ply thickness/mm	0.18	0.40	0.16
Areal density/(g·m⁻²)	292	667	240
Carbon fiber mass fraction/%	71.5±1.5 (Cured)	71.5±1.5 (Cured)	63
Tensile strength (fiber direction)/MPa	2300	650	1580
In-plane modulus (fiber direction)/GPa	115	50	103
Compressive strength (fiber direction)/MPa	1050	–	626
Interlaminar shear strength/MPa	55	50	–

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表 2 DD层合板与Woven层合板力学性能对比实验的层合板信息

Table 2 Laminate information of comparative experiments on mechanical properties between DD laminates and Woven laminates

Designation	Layup	Designed A₁₁/(10⁸ N·m⁻¹)	Material	Prepreg
60/10-Epoxy	[60/−10/10/−60]₄	1.804	carbon/epoxy	USN17500
30/15-Epoxy	[30/−15/15/−30]₄	2.474	carbon/epoxy	USN17500
15/0-Epoxy	[15/0/−15/0]₄	3.139	carbon/epoxy	USN17500
60/10-PA6	[60/−10/10/−60]₄	1.551	carbon/PA6	MCP1223
30/15-PA6	[30/−15/15/−30]₄	2.174	carbon/PA6	MCP1223
15/0-PA6	[15/0/−15/0]₄	2.795	carbon/PA6	MCP1223
Woven-Epoxy	Fabric (plain)	1.734	carbon/epoxy	WP-7011

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表 3 DD层合板与Quad层合板力学性能对比实验的层合板信息

Table 3 Laminate information of comparative experiments on mechanical properties between DD laminates and Quad laminates

Designation	Layup	Designed A₁₁/(10⁸N·m⁻¹)	Material	Prepreg
60/10-Epoxy	[60/−10/10/−60]₄	1.804	carbon/epoxy	USN17500
Quad-Epoxy	[45/0/−45/0/90/45/−45/0]_s	1.802	carbon/epoxy	USN17500
60/10-PA6	[60/−10/10/−60]₄	1.551	carbon/PA6	MCP1223
Quad-PA6	[45/0/−45/0/90/45/−45/0]_s	1.548	carbon/PA6	MCP1223

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表 4 DD层合板与Woven层合板的开孔拉伸强度

Table 4 OHT strength of DD laminates and Woven laminates

Designation	OHT strength/MPa	CV/%
60/10-Epoxy	558.9	4.0
30/15-Epoxy	689.3	3.0
15/0-Epoxy	968.4	3.4
60/10-PA6	401.4	2.9
30/15-PA6	471.9	2.0
15/0-PA6	592.8	3.3
Woven-Epoxy	513.3	4.3
Note: CV—Sample coefficient of variation.

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表 5 DD层合板与Woven层合板的弯曲强度和模量

Table 5 Flexural strength and modulus of DD laminates and Woven laminates

Designation	Flexural strength/MPa	CV/%	Flexural modulus/GPa
60/10-Epoxy	840.6	9.9	57.7
15/0-Epoxy	1110.1	1.6	100.8
60/10-PA6	612.2	15.2	43.3
15/0-PA6	1006.2	7.0	93.8
Woven-Epoxy	692.4	6.1	54.8

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表 6 DD层合板与Quad层合板的开孔拉伸强度

Table 6 OHT strength of DD laminates and Quad laminates

Designation	OHT strength/MPa	CV/%
60/10-Epoxy	558.9	4.0
Quad-Epoxy	537.6	1.6
60/10-PA6	401.4	2.9
Quad-PA6	405.4	2.8

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表 7 DD层合板与Quad层合板的弯曲强度和模量

Table 7 Flexural strength and modulus of DD laminates and Quad laminates

Designation	Flexural strength/MPa	CV/%	Flexural modulus/GPa
60/10-Epoxy	840.6	9.9	57.7
Quad-Epoxy	794.3	3.9	54.6
60/10-PA6	612.2	15.2	43.3
Quad-PA6	526.0	8.0	38.9

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施引文献(1)

期刊类型引用(1)

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长摘要

目的
汽车结构的轻量化是降低汽车能耗和增加续航里程的重要方式。然而，纤维增强聚合物复合材料(FRP)的传统铺层方式和热固性基体存在着轻量化水平较低、设计效率较低、能耗较高、回收和修复性差等问题。本文通过结合热塑性基体材料和新型铺层方式，研发轻量化、高效设计及低制造、修复和回收成本的新型FRP汽车材料。
方法
本文分析了DD层合板相较于π/4铺层(Quad)层合板在轻量化设计方面的优势；通过开孔拉伸及三点弯曲实验，对比了不同铺层方式(DD、Woven、Quad铺层)以及不同基体材料(热固性基体环氧树脂、热塑性基体尼龙6)层合板的设计效率、力学性能、轻量化水平和破坏形式。
结果
DD层合板可以依照部件的主要载荷方向，通过调整此方向上的两组铺层角度达到所需的强度与刚度。对于高轴向刚度设计要求的部件，在相同纤维、基体的情况下，与Woven层合板相比，DD层合板由于具有更高的刚度和强度，可相应地降低厚度，从而减少材料用量，实现轻量化。即便使用力学性能较低的热塑性基体复合材料，DD铺层热塑性层合板仍可以通过铺层设计提高特定方向的承载性能，实现轻量化。在开孔拉伸和弯曲力学性能方面，DD铺层结构可以替代相近刚度设计的Quad铺层结构。同时，达到一定铺层数量的DD层合板具有均质材料的破坏特性，且设计指标的小幅改变并不会大幅改变铺层角度，也不会改变铺层顺序，这使得DD层合板的变形和破坏形式具有规律性，因而设计效率较高。DD层合板的设计效率高于Quad层合板，且相近刚度设计的DD层合板和Quad层合板的弯曲破坏形式显示，准均质性的DD层合板下半部的分层较为分散、均匀，无大分层现象；而非均质性的Quad层合板由于相邻层之间工程性能的失配，在0°层附近出现了不可预测的大分层现象。另一方面，相比于热固性基体的复合材料，纤维增强热塑性基体复合材料(FRTP)的生产效率高、可加工性和再加工性突出，具有优异的修复性及回收再利用能力，能够满足汽车工业的快速制造、优异修复性等要求。
结论
“Double-Double”铺层热塑性层合板(DD-FRTP)在轻量化(材料成本)、设计效率及制造、修复、回收成本方面具有优势，具有应用于汽车结构的潜力。(1)开孔拉伸和弯曲加载实验结果说明，在使用相同纤维及基体的情况下，高轴向刚度的DD层合板在主要载荷方向的刚度和强度远高于Woven层合板；DD层合板的强度与相似铺层设计的Quad层合板相近，同时DD层合板的设计效率高于Quad层合板。因此，DD层合板具有高设计效率及轻量化的潜力。(2)即使热塑性碳纤维增强尼龙6复合材料(carbon/PA6)的力学性能低于热固性carbon/epoxy，通过DD铺层设计，高轴向刚度的DD carbon/PA6层合板的力学性能仍可高于Woven carbon/epoxy层合板。同时，“Double-Double”铺层热塑性层合板具有较低的制造、修复、回收再利用成本。

创新点

汽车结构的轻量化是减少CO₂排放、提升能源利用效率的重要方式。由于优秀的比刚度和比强度，纤维增强聚合物复合材料(FRP)层合板在汽车结构轻量化设计中具有显著的优势。然而，热固性基体FRP层合板存在着设计和制造效率较低，轻量化程度较低，能耗较高，以及回收和修复成本较高的问题：如织物铺层(Woven)层合板的铺层设计灵活性较低，因此轻量化水平较低，而π/4铺层(Quad)层合板的铺层设计过程复杂，设计效率较低；另一方面，纤维增强环氧树脂等热固性基体复合材料可修复性较差，且难以回收利用，以上问题极大限制了纤维增强热固性基体复合材料在汽车结构领域的应用。
“Double-Double”铺层(DD)层合板的纤维铺层方式为[±Ф/±Ψ]_n，如图1所示。DD层合板可以依照部件的主要载荷方向，通过调整此方向上的两组铺层角度达到所需的强度与刚度，以提升轻量化程度；同时，达到一定铺层数量的DD层合板具有均质材料的破坏特性，且设计指标的小幅改变并不会大幅改变铺层角度，也不会改变铺层顺序，这使得DD层合板的变形和破坏形式具有规律性，极大地降低了设计与分析的复杂性和难度，因而设计效率较高。因此，DD铺层既可以提升层合板部件的轻量化程度，也可以提升层合板的设计和分析效率。本文对比分析了不同铺层方式(DD、Woven、Quad铺层)以及不同基体材料(热固性基体环氧树脂、热塑性基体尼龙6)层合板的设计效率、力学性能和轻量化水平，论证DD铺层具有提高层合板设计效率及轻量化水平的潜力。高轴向刚度的DD层合板在主要载荷方向的刚度及强度远高于Woven层合板，因此在满足承载要求的同时可以减少材料用量，并且DD层合板的设计效率高于Quad层合板。另一方面，虽然单向碳纤维增强尼龙6复合材料(carbon/PA6)的力学性能低于单向碳纤维增强环氧树脂复合材料(carbon/epoxy)的力学性能，但是DD铺层carbon/PA6层合板仍可通过铺层设计，使得主要载荷方向上的刚度及强度超过Woven铺层carbon/epoxy层合板，并且热塑性carbon/PA6具有优异的抗冲击损伤能力、可修复性及回收再利用优势。
“Double-Double”铺层(DD)层合板示意图及其优势特点

图(15) / 表(7)

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1. DD层合板的轻量化优势
2. 不同铺层方式、基体材料层合板的力学性能测试
3. 实验结果与对比分析
3.1 DD层合板与Woven层合板的力学性能对比
3.2 DD层合板与Quad层合板的力学性能对比
3.3 DD层合板用于汽车结构设计的潜力
4. 结论

“Double-Double”铺层热塑性层合板及其在汽车结构中的应用潜力

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出版历程

"Double-Double" layup thermoplastic laminates and their application potential in automotive structures

1. DD层合板的轻量化优势

2. 不同铺层方式、基体材料层合板的力学性能测试

3. 实验结果与对比分析

3.1 DD层合板与Woven层合板的力学性能对比

3.2 DD层合板与Quad层合板的力学性能对比

3.3 DD层合板用于汽车结构设计的潜力

4. 结 论

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计量

出版历程

目录

1. DD层合板的轻量化优势

2. 不同铺层方式、基体材料层合板的力学性能测试

3. 实验结果与对比分析

3.1 DD层合板与Woven层合板的力学性能对比

3.2 DD层合板与Quad层合板的力学性能对比

3.3 DD层合板用于汽车结构设计的潜力

4. 结 论

4. 结论

4. 结论