近日，清华大学深圳国际研究生院先进制造学部冯平法团队在复合材料加工研究领域取得新进展，进一步探索了介观尺度下的横向和纵向裂纹形成机制和演化规律。
近年来，高性能复合材料的加工技术成为了国内外先进制造领域的发展重点，特别是在海陆空天各类运载装备的轻量化制造中起到了关键作用。因此，复合材料的制造技术水平已经成为了国家科技实力和制造能力的重要体现。芳纶纸蜂窝（Nomex）材料是由芳纶纤维（增强相）和酚醛树脂（基体相）构成的一种先进复合材料，具有仿生学结构特点，有比强度高、密度范围广、耐腐蚀性强等重要优点，是航空航天领域轻量化需求的首选芯材，其在多个大国重器制造中被广泛使用，如新一代战斗机、国产大飞机、大型航天器、高速列车等。
芳纶纸蜂窝材料具有独特的结构和力学特征，其加工方法、切削条件及固持方法等方面与传统的金属加工存在较大的差异，因此近年来在世界范围内受到了普遍的关注，而且芳纶纤维高韧性材料的去除机理、以薄刃为主要特征的专用刀具失效机理等基础科学问题尚有待深入探索。在复合材料的制造过程中，裂纹一直是人们关注的问题。任一尺度下产生的裂纹都有可能对产品构成潜在威胁，严重裂纹被直接定义为损伤和失效。此前，研究者们普遍认为微观裂纹来自于酚醛树脂浸渍固化的孔隙、夹杂，而宏观缺陷来自于数控加工的工艺参数和刀具磨损。然而，介观尺度下的裂纹一直被当作随机现象而定义模糊。
图1 芳纶纸蜂窝复合材料在多源载荷条件下介观尺度裂纹诱发机制
冯平法团队在前期大量实验测试的基础上，研究团队采用正交切削实验和切削力补偿算法对数值模型和裂纹诱发因素进行分析，基于数值模型理解得到了裂纹萌生机理，进而提出了超声振动加工引入横向裂纹具有积极效果的机制，分析了横向裂纹对纵向裂纹的扩展有显著的抑制作用。研究所探索的介观尺度裂纹萌生机理在微尺度空洞、微裂纹和宏观缺陷之间架起了一座桥梁，该发现不仅增强了固化引起的微裂纹和空洞的意义，并切为加工后宏观缺陷的演变提供了理论指导。
图2 本研究中所采用的正交实验方案与理论模型
上述研究成果以“直刃刀正交切削Nomex蜂窝复合材料的介观尺度裂纹萌生”（Meso-scale cracks initiation of Nomex honeycomb composites in orthogonal cutting with a straight edge cutter）为题发表在复合材料领域刊物《复合材料科学与技术》（Composites Science and Technology）上。
该论文第一作者为清华大学深圳国际研究生院2022级博士生徐捷，通讯作者为清华大学深圳国际研究生院冯峰副教授，论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院冯平法教授、西安交通大学王晨希助理教授、清华大学深圳国际研究生院2020级工程博士生姜恩来。该研究得到了国家自然科学基金、深圳市自然科学基金等项目的资助。
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