近日，清華大學深圳國際研究生院先進製造學部馮平法團隊在複合材料加工研究領域取得新進展，進一步探索了介觀尺度下的橫向和縱向裂紋形成機製和演化規律。

　　近年來，高性能複合材料的加工技術成為了國內外先進製造領域的發展重點，特別是在海陸空天各類運載裝備的輕量化製造中起到了關鍵作用。因此，複合材料的製造技術水平已經成為了國家科技實力和製造能力的重要體現。芳綸紙蜂窩（Nomex）材料是由芳綸纖維（增強相）和酚醛樹脂（基體相）構成的一種先進複合材料，具有仿生學結構特點，有比強度高、密度範圍廣、耐腐蝕性強等重要優點，是航空航天領域輕量化需求的首選芯材，其在多個大國重器製造中被廣泛使用，如新一代戰鬥機、國產大飛機、大型航天器、高速列車等。

　　芳綸紙蜂窩材料具有獨特的結構和力學特征，其加工方法、切削條件及固持方法等方麵與傳統的金屬加工存在較大的差異，因此近年來在世界範圍內受到了普遍的關注，而且芳綸纖維高韌性材料的去除機理、以薄刃為主要特征的專用刀具失效機理等基礎科學問題尚有待深入探索。在複合材料的製造過程中，裂紋一直是人們關注的問題。任一尺度下產生的裂紋都有可能對產品構成潛在威脅，嚴重裂紋被直接定義為損傷和失效。此前，研究者們普遍認為微觀裂紋來自於酚醛樹脂浸漬固化的孔隙、夾雜，而宏觀缺陷來自於數控加工的工藝參數和刀具磨損。然而，介觀尺度下的裂紋一直被當作隨機現象而定義模糊。

圖1 芳綸紙蜂窩複合材料在多源載荷條件下介觀尺度裂紋誘發機製

　　馮平法團隊在前期大量實驗測試的基礎上，研究團隊采用正交切削實驗和切削力補償算法對數值模型和裂紋誘發因素進行分析，基於數值模型理解得到了裂紋萌生機理，進而提出了超聲振動加工引入橫向裂紋具有積極效果的機製，分析了橫向裂紋對縱向裂紋的擴展有顯著的抑製作用。研究所探索的介觀尺度裂紋萌生機理在微尺度空洞、微裂紋和宏觀缺陷之間架起了一座橋梁，該發現不僅增強了固化引起的微裂紋和空洞的意義，並切為加工後宏觀缺陷的演變提供了理論指導。

圖2 本研究中所采用的正交實驗方案與理論模型

　　上述研究成果以“直刃刀正交切削Nomex蜂窩複合材料的介觀尺度裂紋萌生”（Meso-scale cracks initiation of Nomex honeycomb composites in orthogonal cutting with a straight edge cutter）為題發表在複合材料領域刊物《複合材料科學與技術》（Composites Science and Technology）上。

　　該論文第一作者為清華大學深圳國際研究生院2022級博士生徐捷，通訊作者為清華大學深圳國際研究生院馮峰副教授，論文作者還包括清華大學深圳國際研究生院馮平法教授、西安交通大學王晨希助理教授、清華大學深圳國際研究生院2020級工程博士生薑恩來。該研究得到了國家自然科學基金、深圳市自然科學基金等項目的資助。