一、导读

碳纤维复合材料（PMC），因其具有较高的比强度、比模量，优良的耐腐蚀性以及可设计性强等优势，被广泛应用于船舶、汽车和航空航天等工程领域。传统碳纤维复合材料结构的制备需要经过加热、加压、冷却等固化过程，由于纤维与基体热膨胀系数的不匹配，导致结构内部产生热残余应力，进而发生翘曲，甚至产生微裂纹。纤维预应力技术（EFP）通过对纤维进行预应力处理，在纤维/基体界面处引入压应力，可以实现对碳纤维复合材料面内应力的调控，增强其综合力学性能，因此具有重要理论意义和实际工程应用价值。

2023年1月，本实验室在国际知名期刊《Polymers》发表题为“Elastic fibre prestressing mechanics within a polymeric matrix composite”的文章，并入选2023年度第三批ESI高被引论文。论文提出利用纤维预应力技术对碳纤维复合材料的面内应力进行调控，并建立了纤维预应力的理论力学模型，阐明其作用原理；研制了纤维预应力装置，设计并制备基于单向碳纤维预浸料的预应力复合材料，通过探究预应力水平对复合材料准静态、动态及黏弹性力学性能的影响规律，阐明了弹性纤维预应力的作用机理。文章第一作者为陈晖副教授，第二作者为20级硕士研究生余佛链，通讯作者为我所王冰教授，实验室主任钟舜聪教授等实验室其他成员也共同参与了课题研究。

二、内容简介

1. 弹性纤维预应力原理

根据弹性纤维预应力的制备原理可知，需对纤维进行预应力处理，并在基体固化过程中保持应力水平，待复合材料完全固化后卸去预应力载荷。因此预应力复合材料的制备可分为三个阶段，如Figure 1所示，分别建立了三个阶段应力、应变演化的理论模型，从原理上阐明纤维预应力对碳纤维复合材料面内应力水平的调控机制。

2.实验测试

研制的单向纤维预应力装置如Figure 2所示，对单向碳纤维预浸料施加恒定的弹性应力，从而实现不同预应力水平单向碳纤维复合材料试样的制备。

研究纤维预应力对复合材料静态力学性能的影响规律。Figure 3为预应力复合材料的拉伸应力-应变曲线。结果表明，未施加预应力的复合材料试样存在明显的局部损伤，而预应力复合材料试样呈现出较好的线弹性变形，并进一步分析了预应力水平对其拉伸强度、断裂伸长率以及拉伸模量的影响规律。Figure 4为预应力水平对复合材料抗冲击性能的影响规律测试，结果表明，存在一个最佳预应力水平，使得复合材料的抗冲击性能得到优化。

预应力水平对碳纤维复合材料动态力学性能的测试结果如Figure 5所示。结果表明，存在最佳预应力水平使得复合材料弯曲模量得到优化，然而纤维/树脂界面的结合强度随着预应力水平的增加而降低，表现为拉伸模量的下降和玻璃化转变温度的降低。

三、小结

为了平衡或消除热残余应力对碳纤维复合材料力学性能的消极影响，论文系统研究了纤维预应力对复合材料准静态、动态和黏弹性力学行为的影响机理。研究发现，纤维预应力可有效地在高分子基体固化前破坏有缺陷的纤维，从而提高碳纤维复合材料的机械强度；存在最佳纤维预应力水平，使得碳纤维复合材料结构的综合性能得到最优配置；纤维预应力导致的压应力，会降低纤维/树脂界面的结合强度，结构的拉伸模量、玻璃化转变温度和蠕变刚度都与预应力水平呈反比；纤维预应力的作用机理进一步揭示了碳纤维复合材料面内应力的演化规律。

由此可见，纤维预应力技术应用于碳纤维复合材料结构，可实现在不增加结构重量和尺寸的情况下有效提高其准静态和动态力学性能，为预应力复合材料的进一步推广提供扎实有效的理论基础和工程应用支撑。