技术分享｜从仰望碳舱谈起：如何评价碳纤维复合材料的冲击后压缩性能，为工艺优化提供依据？

一 背景

2026年11月1日，仰望 U9 Xtreme 在阿布扎比跑出503.17 km/h；11月6日，比亚迪公布这一成绩。此前，这款车于2025年在德国跑出496.22 km/h。 极速是整车系统共同作用的结果，也让仰望采用的单体壳碳舱受到关注。

▲ 图1 仰望 U9 Xtreme 极速成绩发布图

从碳舱看材料应用，轻量化只是一个目标，结构件还要在使用中承担载荷。碳纤维复合材料受到局部撞击后，表面可能只留下轻微压痕，内部却可能发生层间分离。仅检查外观，无法判断它继续受压时还能承载多少。

这个问题可以通过两项材料级试验来回答：先用低速落锤冲击制造可比较的损伤，再用冲击后压缩试验测量剩余承载。下文以碳纤维/环氧薄层合板为对象，说明试验如何设计、实测结果怎样判读。

二 实验设计

试样采用16层T300碳纤维/环氧预浸料制成，平均厚度约2.75 mm。按尺寸分为A类（150 mm × 100 mm）和B类（90 mm × 100 mm），尺寸均按长度×宽度标注。冲击后压缩沿试样长度方向加载，因此编号中的0和90表示最外层纤维与该方向的夹角。

▼ 表1 试样分组与编号

每组9件，共36件。A0与A90、B0与B90分别用于比较同一尺寸下外层纤维方向的影响；受冲击试样与同组未冲击试样对比，用于评价冲击后的承载变化。

2.1 低速落锤冲击试验

将试样放在夹具上，约束试样边缘，让冲头撞击支撑开口上方的板面。改变落高可得到约6、12和18 J的名义冲击能量。冲击过程中记录接触力及能量变化，冲击后检查分层范围。两种试样采用不同的支撑条件，因此比较结果时应同时考虑试样尺寸和夹具约束。

▲ 图2 落锤冲击试样支撑与夹持剖面示意（非比例）

2.2 冲击后压缩试验（Compression After Impact test，CAI test）

CAI test是在试样受到预定冲击后，沿板面施加压缩载荷，以评价损伤后的承载能力。试验共对36件碳纤维/环氧层合板进行压缩，包括已冲击试样和未冲击对照。压缩夹具参照 ASTM D7137 布置，并针对较短的B组加装60 mm垫块；试样平均厚度约2.75 mm，薄于该试验所参考标准建议的5 mm。

试样上下端及两侧由夹具提供约束，中部留出无支撑区域。伺服液压试验机沿试样长度方向加载，采用位移控制，横梁速度为0.01 mm/s，直至试样破坏、载荷明显下降。记录轴向载荷和横梁位移，并在多数试样上测量应变。未冲击对照在相应尺寸和夹具条件下加载，用于计算各组载荷降幅。

压缩结果采用两个指标。屈曲临界载荷表示薄板开始失稳时的载荷，在本组试验中取载荷–位移曲线开始偏离线性的位置；最大压缩载荷则取加载过程中的峰值。在布置应变片的试样上，按弯曲应变开始变化判定的临界载荷，比曲线判据低约4–6 kN。为使不同组别的结果可以比较，图5标出的屈曲点和图6(a)汇总的临界载荷均采用同一载荷–位移判据。

▲ 图3 冲击后压缩装置、支撑夹具和试样安装

三 实验结果与讨论

3.1 冲击能量与分层面积的关系

各组试样冲击后均可观察到永久压痕，背面分层区呈近似菱形，长对角线大致沿最外层纤维方向。图4(a)中的分层面积依据背面隆起区两条对角线估算，表示该试验条件下的分层范围，不等同于各层界面分层面积的总和。

▲ 图4 分层面积随实测冲击能量（a）和吸收能量（b）的变化。A0、A90为较大试样，B0、B90为较小试样

由图4(a)可见，在相近的实测冲击能量下，B组分层面积总体大于A组；以吸收能量为横轴时，各组数据整体更接近同一上升趋势，见图4(b)。这表明入射能量相近时，试样实际吸收的能量和损伤程度仍可能不同。由于两组试样的尺寸与支撑同时变化，现有试验不能将差异单独归因于尺寸或夹具。

B0与B90在圆形开口支撑下未见明显的冲击响应差异；A0与A90则表现出不同的接触载荷和变形响应。A90外层纤维平行于试样短边，加载初段表现出较高的弯曲刚度。两组A试样可出现相近的分层面积，但A90背面局部纤维损伤更明显，说明分层面积不足以概括全部损伤形态。

3.2 冲击后压缩的载荷位移响应

图5给出四组代表性载荷–位移曲线。消除夹具初始间隙后，各组载荷随位移近似线性增加；随载荷继续升高，试样出现面外变形，曲线偏离线性。受冲击与未冲击试样均发生整体屈曲，表明屈曲并非冲击损伤所特有。

▲ 图5 各组代表性压缩载荷–位移曲线：（a）A0；（b）A90；（c）B0；（d）B90。图例中的数值为落锤高度，圆点标示屈曲载荷

A组代表性曲线在约30–40 kN已偏离线性，此时尚未达到最大载荷；B组的整体屈曲通常更接近最终破坏，曲线转折不如A组明显。B组部分受冲击试样在最终失效前出现持续的载荷波动，且最终断裂位于冲击损伤区。这些现象与既有损伤在受压过程中继续扩展的解释一致，但仅凭曲线波动不能确定具体的损伤类型。

3.3 冲击损伤对屈曲载荷和峰值载荷的影响

▲ 图6 不同冲击能量下的屈曲临界载荷（a）和最大压缩载荷（b）。0 J为未冲击对照

由图6可见，屈曲临界载荷与最大压缩载荷并不随冲击能量同步变化。约15 J冲击后，B0与B90最大压缩载荷较各自未冲击对照均降低约15%；但B0的屈曲临界载荷对冲击能量变化更敏感，B90则未呈现同样明显的变化。仅比较峰值载荷，会掩盖两组试样在失稳起始阶段的差别。

A0与A90具有相同尺寸，但受压破坏表现不同。A0在约6–11 J之间出现主要的峰值载荷下降；从1.0 m落高提高至1.5 m后，峰值未继续明显下降，约比未冲击对照低25%。A0从冲击位置起裂；较高落高试样在最终破坏前出现多次掉载，伴随冲击区局部失稳和分层扩展。A90在约11 J及以下峰值载荷降幅小于5%，断裂可发生于冲击区之外；约11–16 J之间峰值进一步下降约15%，最高落高时破坏移至冲击区，且仍以突然断裂为主。

3.4 分层范围与剩余承载的对应关系

为进一步区分“试样几何不同”和“冲击后损伤不同”两种影响，可将压缩峰值分别对分层面积与吸收能量作图。在分层面积较大或吸收能量较高的区间，A、B组数据在离散范围内较为接近；在小分层面积或低吸收能量区间，B组峰值仍低于A组。这表明在本试验条件下，相近的损伤程度可能对应相近的剩余承载，但不能据此排除试样几何和夹具约束的影响。

▲ 图7 最大压缩载荷与分层面积（c）、吸收能量（d）的关系

3.5 结果的适用范围

对于厚度约2.75 mm的层合板，各组在压缩过程中均出现屈曲。B0、B90的约15%降幅和A0的约25%降幅，分别用各组未冲击试样的最大压缩载荷作基准，反映了对应试样在规定冲击和夹具条件下的承载变化。若板厚、铺层、支撑约束或冲击条件改变，屈曲和破坏过程也可能随之改变，不能将这些降幅直接用于其他材料或部件。

3.6 对局部撞击后损伤与承载问题的回应

对于“外观能否反映内部损伤”，各组试样虽均出现永久压痕，但在相近冲击能量下，分层范围仍随试样与支撑条件而变；分层面积相近时，局部纤维损伤也可能不同。因此，表面压痕只能作为损伤线索，内部损伤程度还需结合分层范围及损伤形态判定。

对于“受损后还能承载多少”，本试验并未得到一个适用于所有薄板的统一降幅：B0和B90在约15 J冲击后较各自对照均下降约15%，而A0在较高冲击能量下可下降约25%，A90在约11 J及以下变化较小。因此，CAI test应同时回答三个问题：最大载荷下降多少、何时开始失稳、最终在哪里破坏。三者结合，才能区分冲击损伤对承载的影响与薄板自身的失稳行为。

四 国高材分析测试中心服务能力

从基础性能到服役工况的力学测试方案

国高材分析测试中心面向复合材料配方开发、铺层筛选、工艺验证和质量评价，可根据材料体系、取样方向及使用工况对接全套力学性能测试需求。测试组合可覆盖基础力学性能、层间性能、动态响应和耐久性评价，按研发阶段及验收指标选择。

基础力学与层间性能

针对材料与铺层筛选，可组合纵向、横向或偏轴拉伸、压缩、弯曲和面内剪切，获得相应方向的强度、模量、应变及载荷曲线；结合层间剪切和层间断裂韧性等项目，评价层间承载及裂纹扩展。

动态冲击与服役耐久性

针对快速加载或局部撞击，可按需求配置高应变率试验、落锤冲击、冲击损伤表征及冲击后压缩；针对反复载荷或特定使用环境，可纳入疲劳及环境处理前后的力学性能对比。冲击后压缩在这里回答的是“材料受损后还能承载多少”，与基础性能及耐久性试验共同支撑材料评价。

检测方案与报告

项目对接时，可提供材料牌号、铺层、试样尺寸、参考标准和使用工况。具体可承接项目、夹具量程及报告内容以中心确认的检测方案为准。报告可按约定呈现实测曲线、性能参数、试验条件与破坏形态，为材料和工艺比较提供依据。

资料来源

1. 比亚迪官方媒体中心，仰望 U9 Xtreme 极速成绩新闻稿，2026年11月6日。https://media.byd.com/the-fastest-gets-faster-yangwang-u9-xtreme-tops-500kmh-to-set-new-global-speed-record-in-abu-dhabi/?lang=eng

2. 比亚迪，仰望 U9 单体壳碳舱产品报道。https://www.byd.com/cn/news/2024/detail548

3. Ghelli D, Minak G. Low velocity impact and compression after impact tests on thin carbon/epoxy laminates. Composites Part B: Engineering, 2011, 42(7): 2067–2079. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2011.04.017