Study on low⁃velocity impact properties of carbon/glass hybrid fiber⁃reinforced epoxy matrix composites

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.08.003

Abstract

Abstract:

The impact resistance of six types of structural laminates was investigated using a drop hammer impact tester at varying energy levels. Post⁃impact damage characterization was performed through visual inspection and scanning electron microscopy （SEM） observation at 20 J impact energy. Results indicated that carbon/glass hybrid fiber⁃reinforced epoxy matrix （CGGG） laminates exhibited superior performance， achieving the highest ultimate load and energy absorption capacity. Key findings demonstrated that：（1） under identical fiber mixing ratios， glass fiber impact surfaces showed less fiber damage while carbon fiber surfaces facilitated greater energy absorption；（2） the non⁃impacted backside consistently displayed larger damage areas than the impact surface； and （3） SEM analysis indicated stronger carbon fiber/resin interfacial bonding compared to glass fiber counterparts. Despite this interfacial advantage， the inherent toughness of glass fibers ultimately governed the impact resistance of the laminates， rendering glass fiber composites more impact⁃resistant than carbon fiber variants. These findings provide valuable insights for optimizing fiber⁃reinforced composite structures in impact⁃prone applications.

Key words: hybrid composite, impact resistance, carbon fiber, glass fiber

CLC Number:

TQ323.5

SHENG Honghang, WU Wei, FAN Wenzhou, LI Xuehua, CHENG Hao. Study on low⁃velocity impact properties of carbon/glass hybrid fiber⁃reinforced epoxy matrix composites[J]. China Plastics, 2025, 39(8): 12-18.

Figures/Tables 9

References 15

[1]	RAJAK D K， PAGAR D D， MENEZES P L， et al. Fiber⁃reinforced polymer composites：manufacturing， properties， and applications ［J］. Polymers， 2019， 11（10）： 1667.
[2]	ERBAYRAK E. Determination of flexural properties of hybrid composite using Cowper⁃Symonds rate⁃dependent material model ［J］. Journal of Composite Materials， 2021， 55（29）： 4 399⁃4 420.
[3]	包建文，蒋诗才，张代军. 航空碳纤维树脂基复合材料的发展现状和趋势［J］. 科技导报，2018， 36（19）： 52⁃63.
	BAO J W， JIANG S C， ZHANG D J，et al. Current status and trends of aeronautical resin matrix composites reinforced by carbon fiber［J］. Science & Technology Review，2018， 36（19）： 52⁃63.
[4]	熊健，李志彬，刘惠彬，等. 航空航天轻质复合材料壳体结构研究进展［J］. 复合材料学报，2021， 38（06）： 1 629⁃1 650.
	XIONG J， LI Z B， LIU H B，et al. Advances in aerospace lightweight composite shell structure［J］. Acta Materiae Compositae Sinica，2021， 38（06）： 1 629⁃1 650.
[5]	陈伟. 碳/玻混杂三维机织复合材料低速冲击力学性能研究［D］. 南京航空航天大学， 2020.
[6]	宁荣昌. 复合材料冲击损伤问题的研究现状［J］. 玻璃钢/复合材料， 1992（06）： 35⁃40，34.
	NING R C. Study status of composite impact failure［J］. Fiber Reinforced Plastics/Composites， 1992（06）： 35⁃40，34.
[7]	SHAH S Z H， KARUPPANAN S， MEGAT⁃YUSOFF P S M， et al. Impact resistance anddamage tolerance of fiber reinforced composites： A review ［J］. Composite Structures， 2019， 217：100⁃121.
[8]	Manikandan Periyasamy， Boay Chai Gin.A similitude approach towards the understanding of low velocity impact characteristics of bi⁃layered hybrid composite structures［J］.Composite Structures，2015：183⁃192.
[9]	Ebina Masaya， Yoshimura Akinori， Sakaue Kenichi，et al. High fidelity simulation of low velocity impact behavior of CFRP laminate［J］.Composites Part A，2018：166⁃179.
[10]	Swolfs Y， Geboes Y， Gorbatikh L， et al. The importance of translaminar fracture toughness for the penetration impact behaviour of woven carbon/glass hybrid composites［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2017， 103： 1⁃8.
[11]	Hung P， Lau K， Hui D， et al. Impact response of hybrid carbon/glass fibre reinforced polymer composites designed for engineering applications［J］. Composites Part B. Engineering， 2018， 133： 86⁃90.
[12]	Manikandan P， Chai G B. A similitude approach towards the understanding of low velocity impact characteristics of bi⁃layered hybrid composite structures［J］. Composites Structures， 2015， 131： 183⁃192.
[13]	SARASINI F， TIRILLÒ J， VALENTE M， et al. Effect of basaltfiber hybridization on the impact behavior under low im⁃pact velocity of glass/basalt woven fabric/epoxy resin com⁃posites［J］. Composites Part A： Applied Science and Manu⁃facturing，2013，47：109⁃123.
[14]	黄志超，骆强，赖家美，等. 环氧树脂/玻璃纤维/碳纤维混杂复合板低速冲击及损伤检测［J］. 中国塑料， 2021， 35（06）： 46⁃52.
	HUANG Z C， LUO Q， LAI J M，et al. Low⁃velocity impact and damage detection of epoxy/glass and carbon fiber composite plates［J］. China Plastics， 2021， 35（06）： 46⁃52.
[15]	GUSTIN J， JONESON A， MAHINFALAH M， et al. Low velocity impact of combination Kevlar/carbon fiber sandwich composites ［J］. Composite Structures， 2005， 69（4）： 396⁃406.

试样编号	混杂比例	混杂方式
GF	100 %GF	G₈
（GC）₄	G/C=1/1	G₁C₁G₁C₁G₁C₁G₁C₁
（CG）₄	G/C=1/1	C₁G₁C₁G₁C₁G₁C₁G₁
（CGGG）_S	G/C=3/1	C₁G₆C₁
（GCCC）_S	G/C=1/3	G₁C₆G₁
CF	100 %CF	C₈

试样编号	混杂比例	混杂方式
GF	100 %GF	G₈
（GC）₄	G/C=1/1	G₁C₁G₁C₁G₁C₁G₁C₁
（CG）₄	G/C=1/1	C₁G₁C₁G₁C₁G₁C₁G₁
（CGGG）_S	G/C=3/1	C₁G₆C₁
（GCCC）_S	G/C=1/3	G₁C₆G₁
CF	100 %CF	C₈

冲击能量/J	铺层结构	冲击高度/mm	初速度/m·s^-1	末速度/m·s^-1	吸收能量/J
15	CF	279	2.31	-0.74	13.13
	（GCCC）_S	279	2.34	-0.64	13.25
	（CG）₄	279	2.30	-0.71	13.79
	（GC）₄	279	2.34	-0.67	13.22
	（CGGG）_S	279	2.33	-0.79	13.92
	GF	279	2.33	-0.67	13.70
18	CF	334	2.55	-0.69	16.60
	（GCCC）_S	334	2.54	-0.66	16.47
	（CG）₄	334	2.55	-0.67	16.60
	（GC）₄	334	2.54	-0.69	16.38
	（CGGG）_S	334	2.56	-0.71	16.64
	GF	334	2.53	-0.66	16.40
20	CF	372	2.68	-0.72	18.26
	（GCCC）_S	372	2.68	-0.82	17.87
	（CG）₄	372	2.66	-0.67	18.31
	（GC）₄	372	2.69	-0.80	18.12
	（CGGG）_S	372	2.69	-0.67	18.62
	GF	372	2.69	-0.68	18.71

冲击能量/J	铺层结构	冲击高度/mm	初速度/m·s^-1	末速度/m·s^-1	吸收能量/J
15	CF	279	2.31	-0.74	13.13
	（GCCC）_S	279	2.34	-0.64	13.25
	（CG）₄	279	2.30	-0.71	13.79
	（GC）₄	279	2.34	-0.67	13.22
	（CGGG）_S	279	2.33	-0.79	13.92
	GF	279	2.33	-0.67	13.70
18	CF	334	2.55	-0.69	16.60
	（GCCC）_S	334	2.54	-0.66	16.47
	（CG）₄	334	2.55	-0.67	16.60
	（GC）₄	334	2.54	-0.69	16.38
	（CGGG）_S	334	2.56	-0.71	16.64
	GF	334	2.53	-0.66	16.40
20	CF	372	2.68	-0.72	18.26
	（GCCC）_S	372	2.68	-0.82	17.87
	（CG）₄	372	2.66	-0.67	18.31
	（GC）₄	372	2.69	-0.80	18.12
	（CGGG）_S	372	2.69	-0.67	18.62
	GF	372	2.69	-0.68	18.71

		15 J	18 J	20 J
CF	背面
CF	正面
（GCCC）_S	背面
（GCCC）_S	正面
（CG）₄	背面
（CG）₄	正面
（GC）₄	背面
（GC）₄	正面
（CGGG）_S	背面
（CGGG）_S	正面
GF	背面
GF	正面