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碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料增韌改性的研究進(jìn)展（四）
3 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
除環(huán)氧樹脂和碳纖維表面改性外，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)力學(xué)性能也有很大的影響。交錯(cuò)法是另一種有效的增韌技術(shù)，可以在保持復(fù)合材料原有面內(nèi)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高層間韌性。另外還可以采用夾層結(jié)構(gòu)，如在CFRP中加入泡沫芯材，可以提高材料的抗沖擊性能。
Zheng等通過CF表面和樹脂的雙向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善了復(fù)合材料的界面性能，以縮小模量差異并平滑模量過渡。通過增加樹脂模量，CF和樹脂之間的模量差異進(jìn)一步縮小。此外，CF表面的剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生了多級(jí)梯度界面，使CF到樹脂的模量平滑和緩沖。與優(yōu)化界面的多尺度界面結(jié)構(gòu)相比，上述協(xié)同作用允許適當(dāng)?shù)哪Ａ科ヅ洌瑥亩@得優(yōu)異的界面性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CF復(fù)合材料的ILSS比原CF復(fù)合材料提高了41.2%,其中*CF表面改性和*樹脂改性分別提高了17.7%和8.0%。因此，CF表面和樹脂的多尺度同時(shí)構(gòu)建可為未來高性能CF增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的制備提供新的思路。
Zhang等提出了一種由短切亞麻纖維(FFs)和纖維素納米纖維(CNFs)組成的多尺度纖維素纖維夾層，以增強(qiáng)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的層間斷裂韌性。采用水性環(huán)氧樹脂處理纖維素纖維夾層，提高與環(huán)氧基體的界面相容性。端部缺口彎曲結(jié)果表明，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中纖維素纖維夾層的加入**提高了模式Ⅱ?qū)娱g斷裂韌性，這是由于FFs和CNFs的協(xié)同作用。切碎FFs的三維網(wǎng)絡(luò)由于其良好的相容性而緩解了CNFs的團(tuán)聚，導(dǎo)致在分層過程中有更多的纖維橋接和纖維拉出。CNF的存在進(jìn)一步改善了FFs和環(huán)氧基體的界面性能，有利于亞麻纖維的纖維化，阻礙層間裂紋的生長(zhǎng)。Wang等提出了一種有效的CFRP層壓板層間增韌策略，即引入由CNC/聚醚酰亞胺(PEI)納米纖維氈制成的交錯(cuò)層。研究表明，與純PEI中間膜相比，CNCs增強(qiáng)PEI納米纖維中間膜的GIc和GHc分別提高了28%和20%。增韌機(jī)制可歸因于碳纖維架橋、纖維縮頸、纖維與CNCs聚合物斷裂以及CNCs聚合物對(duì)裂紋的針刺作用。織物預(yù)成型，使用三維編織、針織或編織物預(yù)成型體，可以增加材料的韌性和抗損傷能力。Eun等用碳纖維編織物與聚酰胺纖維交織，增強(qiáng)了碳環(huán)氧復(fù)合材料層壓板的力學(xué)性能和抗分層性。碳/環(huán)氧復(fù)合材料層壓板與聚酰胺纖維交織，拉伸強(qiáng)度提高約20%,殘余強(qiáng)度提高31%,臨界能量釋放率提高約120%。機(jī)械性能和抗分層性的改善歸因于聚酰胺纖維和環(huán)氧樹脂之間的化學(xué)反應(yīng)交聯(lián)。
4 結(jié)論與展望
碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的增韌改性研究已取得**進(jìn)展，通過環(huán)氧樹脂改性、碳纖維表面改性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法，有效提高了材料的韌性。然而，面對(duì)不斷提升的高性能和多功能化需求，復(fù)合材料的研究和應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步探索新型納米材料的作用機(jī)制，開發(fā)更高效和環(huán)保的界面改性技術(shù)，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，以實(shí)現(xiàn)材料在極端條件下的可靠性能。因此，持續(xù)的創(chuàng)新和多學(xué)科協(xié)作將是推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。通過材料科學(xué)、化學(xué)工程和機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的交叉研究，可以實(shí)現(xiàn)碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料性能的**提升，滿足航空航天、汽車制造、建筑工程等領(lǐng)域日益嚴(yán)格的應(yīng)用要求。同時(shí)，隨著環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的重視，研究更綠色和可再生的增韌改性方法也將成為未來的重要方向。這些努力將共同推動(dòng)碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的持續(xù)進(jìn)步和廣泛應(yīng)用。
來源：紡織科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，四川大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，四川環(huán)龍技術(shù)織物有限公司，邁愛德編輯整理
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