哈工大：通过构建新型“软刚性”界面层大幅提高碳纤维复合材料的强度和韧性
来源：材料学网  2022-05-19 11:19:18
本文阅读次数:368

原文：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-12116.html       如今，在倡导低碳、节能减排的背景下，碳纤维增强复合材料（CFRP）因其高比强的优势在许多领域得到应用。然而，由于碳纤维（CF）的非极性和化学惰性表面，CFRP的界面失效情况经常发生。因此，CF的表面需要改性，以提高CFRP的强度和韧性。为避免这个问题，科学家们已经做出了许多努力，例如在CF上应用酸氧化、化学移植、高能辐射或等离子体处理。这些策略都提高了复合材料的界面强度。然而，通常情况下CF和树脂之间的强界面可能会加剧相邻纤维的应力集中，从而促进早期脆性破坏并降低CFRP的韧性。

       通过将纳米材料与低刚度材料相结合来构建界面，有望成为提高材料韧性和强度的策略。对于CFRP，具有反应性官能团的柔性聚合物可用作低刚性组分。已经存在由氢氧化镍（Ni（OH））形成的界面层和聚乙烯亚胺（PEI），GO和超支化聚甘油（HPG），PEI和纳米二氧化硅（SiO2)。聚醚胺（PEA）/GO的界面层也被采用，其中构造（PEA/GO）逐层自组装提高了界面剪切强度（IFSS）和界面韧性（G集成电路）分别增长了67.7%和129%。这些改进归功于更好的相容性、机械联锁、强大的化学键和纳米颗粒增强效应。但对界面相互作用的部分解释，特别是对机械联锁的解释，及其对CFRP界面性能的影响尚不清楚，缺乏直观的实验证据。在此基础上，构建了一种由反应性柔性聚合物和纳米材料形成的新型可控间相。

       对于纳米材料MOF因其优异的耐热性、可控的尺寸和丰富的反应位点而被选中。然而MOFs对水敏感，长时间暴露于潮湿空气后表面积会急剧减少。为了提高MOF的稳定性，氧化石墨烯（GO）通常被用作MOF的载体。

       近日，哈尔滨工业大学的研究人员提出了通过静电组件构建一种新的“软刚性”界面层改善复合材料的界面强度和韧性的方法，并合成出MOF/GO纳米配合物作为“软刚性”界面结构的刚性组分。相关研究成果以“Improvement on strength and toughness for CFRPs by construction of novel “soft-rigid” interface layer”为题发表在Composites上。


       基于此，上述复杂间期界面相互作用的解释并不明显，缺乏直观的实验证据。研究者通过静电自组装构建了由PEI和MOF/GO组成的新型“软刚性”界面层结构。柔性PEI作为“软”组件组装在CF表面上，然后是刚性MOF / GO。为了了解这种新型“软刚性”间期的界面相互作用及其影响，研究了PEI或MOF修饰的CF，并与“软刚性”间相进行了比较。采用接触角、SEM、AFM等对界面结构进行表征，了解界面交互作用。结果表明，CF-PEI-MG/EP的界面强度和韧性均显著高于用PEI或MOF改性改性CF增强复合材料。纯PEI或MOF改性复合材料中除了具有更好的相容性、较强的化学键、增加的机械联锁和纳米颗粒增强等界面相互作用外，CF-PEI-MG/EP的界面相互作用还包括多方裂纹偏转和纳米偶联相互作用。值得注意的是，“纳米耦合”对于提高界面性能至关重要，这在其他研究中尚未发现。对于纳米偶联相互作用，MOF/GO通过MOF/GO与PEI之间的静电相互作用以及PEI与环氧树脂之间的共价键固定在PEI和环氧基质之间形成强大的机械联锁。这种具有“纳米偶联剂”的新型“软刚性”界面可用作通过结合纳米材料和局部可变形材料（低刚度）来开发具有更高强度和韧性的复合材料的设计指南。

        研究者还通过静电相互作用，将带正电荷的聚乙烯亚胺（PEI）和由金属有机框架（UIO-66）和氧化石墨烯（GO）组成的带负电荷的纳米配合物组装在CF上，结果表明，具有“软刚性”界面相的复合材料的界面剪切强度（IFSS）和层间剪切强度（ILSS）分别提高了42.12%和23.07%。此外，CFRP经处理后的脱粘和断裂表面表现出改善的界面性能。此外，复合材料的冲击韧性从60.24 kJ/m提高到60.24 kJ/m2至 89.38 kJ/m²。

       相关图表如下：
文章来源：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-12116.html