同济大学新突破：首次成功将增韧法用于亚麻纤维增强复合材料
来源：生物基能源与材料  2024-07-05 10:43:23
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原文：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-14543.html       界面是决定纤维增强复合材料力学性能的关键因素，纤维与基体的相容性差异往往导致分层破坏等失效模式，因此需要通过界面增韧设计提高复合材料的损伤容限。相比于纤维表面改性、引入热塑性聚合物或纳米材料、三维编织缝合等常用方法，短纤维插层提供了一种更便捷高效的增韧策略。

       近日，同济大学航空航天与力学学院李岩教授团队首次将该增韧方法应用于以亚麻纤维为代表的植物纤维增强复合材料，系统研究了短纤维性能、纤维长度与插层面密度等因素对复合材料层间断裂行为的影响规律，建立了层间多级次增韧新机制，并拓展了基于三线性内聚力模型的层间增韧理论，为高性能植物纤维增强复合材料的设计与制备提供了理论指导。

       近年来，由自然界来源广泛的亚麻纤维制备的植物纤维增强复合材料已在飞机内饰结构、汽车外覆盖件等方面实现减重增强与环境友好的示范性应用。然而，亲水性亚麻纤维与疏水性树脂基体间相容性差异引起的弱界面问题易导致复合材料发生分层破坏。通过采用工艺简便、经济高效以及不牺牲面内性能的短纤维插层增韧方法，构建亚麻纤维增强复合材料独特的多层级破坏模式，并全面揭示不同特性短纤维插层的层间增韧机理，对于绿色复合材料高性能化设计的实现具有重要意义。

       本研究选用力学性能与微观结构各具特点的高韧性弱界面性能短芳纶纤维、高强度高界面性能短碳纤维与低强度弱界面性能但具有多层级结构的短亚麻纤维等三种纤维对亚麻纤维增强复合材料进行插层增韧研究。


       研究表明，短纤维性能对增韧机理起决定性作用，而短纤维长度与插层面密度影响纤维桥联的发生及耗能效率。

• 短碳纤维插层具有最高增韧效果，一方面因为纤维桥联耗能受碳纤维的高承载作用而增加，另一方面碳纤维与亚麻增强纤维间的良好粘连使亚麻纤维发生多层级破坏；
• 短芳纶纤维插层增韧主要与纤维桥联和芳纶纤维自身微纤化有关；
• 短亚麻纤维插层虽也具有纤维桥联与多层级破坏两方面增韧机理，但较低的短纤维强度致使纤维桥联耗能降低。

       本研究通过短纤维插层方法有效构建亚麻纤维增强复合材料的层间多层级破坏模式，从而提升复合材料层间性能；并系统性考量短纤维插层3个因素（短纤维性能、长度与插层面密度）对亚麻纤维增强复合材料层间增韧行为与效果的影响，提出不同于传统纤维增强复合材料的新层间增韧机理，拓展层间增韧理论方法；获得的内聚力参数与短纤维插层特点间的量化关系，可为复合材料层间增韧设计提供理论与工程指导，推进植物纤维增强复合材料高性能化发展。 文章来源：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-14543.html