麻省理工首创：用碳管“缝合”碳纤维复材，提高60%！
来源：carbontech 2024-04-22 13:40:01
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原文：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-14284.html 近年来，人们对开发纳米结构混合（多尺度）复合材料的兴趣日益增长，其中纳米颗粒如碳纳米管（CNTs）与微米级纤维复合层压板并用。CNTs在裂纹传播过程中引入了额外的能量耗散机制，可以显著改善传统复合材料中基体主导性质，从而改善其力学行为。垂直排列的CNTs（VA-CNTs），即单个CNTs垂直生长于基板上，以约1 vol%的面密度和约80 nm的CNT间距形成森林，为工程性质提供了机会，由于纳米纤维的排列性质，类似于传统先进复合材料中的微纤维排列，导致了纹理性质，可以在各种性质上提供工程优势。
近日，麻省理工学院首次开发了一种加强技术，在预浸料基复合层压板的各层之间引入垂直排列的CNTs（VA-CNTs），形成了一种纳米工程结构，被称为“纳米缝合”（图1），保证了通常排列和连续的CNTs良好地分散在层间区域，导致了层间剪切强度和断裂韧度的提高，在低应力情况下尤其是疲劳寿命的显著增加，并延迟/抑制了层间亚临界损伤及其在复合材料子组件中设计强度（损伤起始和极限强度）的增加（与其他依靠微纤维桥接作为主要增韧机制的横向增强类型，如缝合、Z型固定和编织相反）。此外，VA-CNTs的改善热电性能可以利用，以降低制造成本并增加复合材料的多功能性。
相关研究成果以“J-Integral Experimental Reduction Reveals Fracture Toughness Improvements in Thin-Ply Carbon Fiber Laminates with Aligned Carbon Nanotube Interlaminar Reinforcement”为题，4月16日发表于《ACS Applied Materials and Interfaces》。
图1. 纳米缝线示意图。
/ 制备方法 /
在一个2英寸的管式炉（Lindberg/Blue M）上，使用化学气相沉积法在30mm×120mm的硅片基底上生长了高约20±5μm的VA-CNT（垂直排列的碳纳米管）森林。这些VA-CNT森林由直径为8nm的多壁碳纳米管（2-3层）组成，面密度约为1 vol%，CNT之间的间距约为80 nm，相当于每平方厘米约109到1010个多壁碳纳米管。该过程的最后阶段包括一步水辅助剥离过程，允许CNT森林轻松地从硅片上除去。
采用了Teijin Carbon America（前身为Toho Tenax）提供的航空级54克/平方米薄层HTS40/Q-1112碳纤维-环氧预浸料。制造了基准（B）和纳米增强（CNT）单向[060]层压板。中间的两层以±2°的错位角铺设，每个板的中平面引入了60mm长、0.025mm厚的PTFE插片以创建预裂纹。制造了纳米缝合样品，其中包括30mm×120mm的VA-CNT阵列置于中间界面：首先，将带有VA-CNTs的硅片倒置到预浸料上，施加压力到硅片的背面，最后，将硅片取下，留下CNTs在预浸料中。然后继续设置，形成CNT丰富的层压板界面。按照制造商的规格在高压釜中固化了这些面板：80℃、0巴条件下固化30分钟，随后在130℃、7bar条件下固化90分钟。通过扫描电子显微镜和显微照片，之前对相同碳纤维增强复合材料系统和VA-CNT森林高度的研究表明，采用这种方法，CNTs有效地转移到预浸料上，适当填充了层间树脂富集区域，并有效地连接了两层。
/ 实验测试 /
使用 J 积分数据缩减方法的模式 I、模式 II 和混合模式测试结果。所有样本的一个共同点是，CNT增强导致层间裂纹分叉进入层内区域，并作为平行于层间平面的裂纹在层内区域中保持扩展。
图2. 模式I测试结果。
图3. 模式II测试结果。
图4. 混合模式测试结果。
图5. 模式I、模式II、混合模式引发断裂韧性。
/ 结论 /
由约 500 亿个 CNT 组成的 20 μm 高z方向排列碳纳米管 (CNT)增强的薄层 (54 gsm) 碳纤维-环氧树脂层压复合材料的模式 I、模式 II 和混合模式层间失效行为每c㎡的纤维数按照基于J积分的数据简化方法进行分析。在层界面中包含对齐的CNT提供了增强的抗裂性，导致从增强的层间区域到相邻层的层内区域的持续裂纹偏转，即，CNT将裂纹从层间区域驱动到层中。碳纳米管不会明显增加层间厚度或层压材料重量并保留层内微纤维形态。观察到 I 型和 II 型起裂韧性分别提高了 34% 和 62%。这种类型的层间纳米增强材料有效地驱动裂纹从界面传播到层内，其中裂纹平行于层间区域传播，为先前报道的强度和疲劳性能增加提供了新的见解。这些发现扩展到轻质耐用材料对于提高结构效率至关重要的行业。
文章来源：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-14284.html
