碳纤维增强复合材料泡沫芯层夹层结构的多尺度设计：微孔泡沫优化与压缩性能评估

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微孔泡沫芯层因其优异的能量吸收性能，广泛应用于航空航天和汽车领域的复合材料夹层结构中，有助于轻量化设计。然而，传统制造工艺（如模压成型和热压模塑）存在工序复杂、模具要求高、成本昂贵等问题，严重制约了先进夹层结构的设计自由度。本研究开发了一种新型制造技术，将原位微孔泡沫发泡与连续纤维增强聚合物复合材料面板/增强体集成，实现夹层结构的高效制造。首先，通过将原位微孔泡沫发泡与碳纤维增强复合材料增材制造相结合，可高效制备复杂设计的夹层结构。其次，采用宏观夹层结构、单元胞和微孔泡沫三个尺度进行多尺度设计。随后，制造了多种单元胞构型（蜂窝、正方形、菱形和重入式蜂窝），并通过实验评估其压缩性能。研究发现温度对泡沫密度和压缩模量有显著影响，230 °C时泡沫膨胀效果最优，综合性能最佳。10 mm菱形单元胞结构表现出最高的压缩模量（40.38 MPa）和比能量吸收值（59.02 mJ·m³/kg），为承载应用的最优选择。泡沫芯层内的格子-网状增强体显著提升了压缩强度和能量吸收能力。研究表明，所提出的多尺度设计和制造方法能够开发出传统工艺无法实现的创新型高性能多尺度夹层结构和增强体，在航空航天和汽车工业中具有广阔应用前景，特别是在需要轻量化、高能量吸收材料的领域。

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