技术摘要：
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种基于非连续纤维结构的高性能碳纤维复合材料。所述复合材料选用的碳纤维预浸料通过机械切割得到非连续纤维结构，切割时的切口方向与纤维方向之间的夹角为α，5°<α<25°。本发明通过调整非连续纤维的切口结构，相对于传统切口结 全部
背景技术：
正所谓“一代材料、一代装备”，因此新材料产业是国家战略性新兴产业之一， 决 定着一个国家的装备发展水平。欧美等发达国家十分重视新材料技术发展，提出了 明确的 发展计划，如德国工业4.0、美国的国家纳米技术计划和材料基因组计划等。其 中碳纤维复 合材料(CFRP)作为新型军民两用材料，是实现航空航天装备轻量化，加 速建筑、能源、交通 等行业发展的重要保障。 然而，传统碳纤维复合材料强度和韧性的互斥性是长期以来困扰其设计领域的重 要问题之一。虽然CFRP具有重量轻、强度大、模量高等优点，但其脆性本质以及较 弱的剩余 强度在一定程度上限制了其应用扩展。例如，由于轻微冲击造成CFRP内部 局部的结构损 伤，此时虽然外观完好，但容易在未出现明显损伤预警且远低于设计载 荷的负载作用下发 生脆性断裂。为了确保安全，相比于其他韧性较好的材料，CFRP的 最大许用应力往往采用 更大的安全系数。这一设计局限性不仅使CFRP的性能优势不 能得以充分发挥，同时使其不 适合应用于一些载荷条件不易预测的场合。 因此，能够同时增强增韧的材料设计理念是研究高性能CFRP长期以来的一个悬 而未决的挑战，即如何使CFRP具有类似于金属材料的非线性渐进失效过程令其在最 终破 坏前具有明显的失效预警现象，即，使CFRP从脆性失效模式转变为伪延性失效 模式，在 CFRP失效断裂前产生伪延性应变，实现增韧，如图1所示。 增加碳纤维增强复合材料的延展性的一种快捷且直接的方法就是采用其他延性 较 好的纤维与碳纤维混杂构成混杂复合材料。也就是基体中含有两种或两种以上的增强 纤维，即低延伸率纤维(LE)和高延伸率纤维(HE)。其中，LE纤维通常先断裂， HE纤维在前者 断裂的情况下能继续承载。最常见混杂组合结构的有三种形式，即层间 混合铺设、层内混 合编织、层内纤维混合，如图2所示。一般来说，碳纤维属于LE。 碳纤维与其他HE混杂制成纤 维混杂复合材料后，当材料拉伸失效时，碳纤维先断裂， HE在碳纤维断裂后继续承载外力 直至其断裂。以碳纤维-玻璃纤维混杂复合材料为例， 不同的混杂组合结构对材料的力学 性能有明显影响，当材料失效时出现的破坏模式也 不同，如图3所示。近年来由于超薄碳纤 维预浸料工艺的不断发展，关于其优越力学 性能多有报道，由于其较低的能量释放率，使 其能够通过抑制分层破坏和整体断裂， 延迟复合材料的最终失效，从而具有更高的许用设 计应变。但是，目前的超薄碳纤维 预浸料仍然不能满足某些领域，如航空航天、汽车及能源 等行业，对材料强度和韧性 的综合要求。 另一方面，非连续性碳纤维增强复合材料，是将传统的连续纤维预浸料通过机械 高频切割的方法制成取向非连续碳纤维预浸料，并固化得到取向非连续复合材料。非 连续 3 CN 111605223 A 说 明 书 2/9 页 纤维结构在提高材料成型流动性的同时，也改善了复合材料的失效特征和吸能特 性。如图 4，连续碳纤维增强复合材料在形成复杂结构时，容易在结构突变的位置出现 没有碳纤维 分布却有树脂聚集的结构强度薄弱的情况，而非连续碳纤维增强复合材料 明显改善了这 一情况(A new compression-molding approach using unidirectionally arrayed chopped strands .I .Taketa ,T .Okabe ,A .Kitano .Composites:Part A 39(2008)1884– 1890)。 从图5中的非连续碳纤维增强金属复合材料的应力应变曲线可知，非连续碳纤维增 强 复合材料呈现非线性失效特征(Influence of fiber length on the tensile behavior of fiber metal laminates with discontinuous reinforcement.Jia Xue, Wen-Xue Wang ,et al .Journal of Reinforced Plastics and Composites ,July 6 , 2015)。但是，目前的非连续纤维结构都是通 过在预浸料中引入与纤维方向垂直的切口，如 图6a所示，削弱了材料的强度，容易 在较低载荷水平下出现切口破坏，未能充分发挥碳纤 维的高强度特性。如图7所示， 目前的非连续短切碳纤维预浸料(UASC)层合板的拉伸强度 约为400Mpa，与传统的 连续碳纤维增强层合板的近800Mpa的拉伸强度相比，其强度明显降 低(Strength improvement in unidirectional arrayed chopped strands with interlaminar toughening.I. Taketa,T.Okabe,A.Kitano.Composites:Part A 40(2009) 1174–1178)。 本发明将针对CFRP强度和韧性的互斥性问题，基于非连续纤维结构在提高材料 损伤容量时的优良表现，开展高性能伪延性碳纤维复合材料的研究，提出新型非连续 纤维 增强结构与铺设结构。本发明提供的基于非连续纤维结构的高性能碳纤维复合材 料，与现 有的非连续碳纤维复合材料相比，在其强度上有明显提升，更好了发挥了碳 纤维的高强度 特性，同时具有更好的吸能特性。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，鉴于航空航天、汽车及能源等行业对碳 纤维复合材料的重大实际需求，以及现阶段关于高性能伪延性碳纤维复合材料研究中 存 在的问题，设计新型非连续纤维增强结构。通过改善非连续纤维增强结构，既能充 分挖掘 非连续纤维在提高材料损伤容量及流动性方面的作用，进一步改善超薄碳纤维 预浸料层 合板的伪延展性和复杂几何结构的可成形性，又更好的保留了碳纤维的增强 效果，体现了 碳纤维高强度的特性，提升了材料的吸能性能，最终得到基于非连续纤 维结构的高性能碳 纤维复合材料。 本发明的另一个目的在于，提供上述基于非连续纤维结构的高性能碳纤维复合材 料的制备方法。 本发明提供一种基于非连续纤维结构的高性能碳纤维复合材料，所述复合材料选 用的碳纤维预浸料通过机械切割得到非连续纤维结构，切割时的切口方向与纤维方向 之 间的夹角为α，5°<α<25°，所有切口为直线状，且将碳纤维预浸料切穿。 进一步的，所述切口将碳纤维预浸料整体切断。此时，每个切口都是连续不断的， 可称呼为连续切口。 进一步的，所述切口在垂直于纤维方向上的长度为d，2mm
