青島大學(xué)馬麗春課題組：通過構(gòu)筑具有剛性-柔性分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異的多級梯度模量界面層改善碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面性能

非金非土非木

2021年5月18日 10:38

碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料具有質(zhì)輕、高比剛、高比強、易于加工和耐高溫等優(yōu)勢，而廣泛用于國防武器、航空航天、汽車、高鐵、高檔民用制品等領(lǐng)域中。碳纖維和環(huán)氧樹脂基體之間的界面粘合對于復(fù)合材料的整個機械性能至關(guān)重要，因為出色的界面可以確保應(yīng)力均勻傳遞并防止進一步的裂紋擴展。然而，碳纖維表面光滑，且呈化學(xué)惰性，導(dǎo)致纖維與基質(zhì)之間的吸附和潤濕性差，并且應(yīng)力不能確保從基質(zhì)均勻地轉(zhuǎn)移至碳纖維，導(dǎo)致復(fù)合材料的界面強度弱。

目前，國內(nèi)外研究人員為了更有效的提高碳纖維/樹脂基體的界面粘合性能，通常選擇支鏈大分子(PAMAM，POSS，APS)與納米粒子(GO，CNTs)相結(jié)合的方法，在碳纖維表面構(gòu)筑“柔性-剛性”多尺度增強結(jié)構(gòu)。然而，存在以下科學(xué)問題：(1)支鏈大分子的位阻效應(yīng)導(dǎo)致納米粒子在碳纖維表面的接枝密度低，從而限制了碳纖維和環(huán)氧樹脂之間的機械嚙合作用、化學(xué)鍵合作用和相容性。(2)納米粒子的模量遠高于基體，難以及時徹底地消除界面區(qū)域的應(yīng)力。通常，碳纖維和基體之間的最佳模量匹配有利于提高碳纖維復(fù)合材料的界面粘合強度。然而，很少有工作闡述多級梯度模量中間層以及它們?nèi)绾螌μ祭w維復(fù)合材料的界面性能產(chǎn)生有益影響。

基于上述背景， 青島大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院馬麗春副教授課題組 利用氧化石墨烯和PA在碳纖維表面構(gòu)筑了具有“剛性-柔性”分層增強的多級梯度模量界面層，如圖1所示。此研究是通過簡單高效的酯化反應(yīng)接枝氧化石墨烯，然后利用CF-GO表面的活性基團酰氯化，再通過己內(nèi)酰胺陰離子聚合反應(yīng)生成PA。可以預(yù)期的是，在纖維-基體界面上具有梯度模量的分層增強結(jié)構(gòu)可以起到斷裂能量傳遞的作用，并改變裂紋的傳播路徑，從而獲得高性能的碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料。

青島大學(xué)馬麗春課題組：通過構(gòu)筑具有剛性-柔性分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異的多級梯度模量界面層改善碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面性能的圖1

圖1 CF-GO-PA多尺度增強體的制備示意圖.

作者通過掃描和透射電鏡觀察到接枝氧化石墨烯后，碳纖維表面粗糙度有所提高，接枝PA后，形成了約836 nm的多級梯度模量界面層。

青島大學(xué)馬麗春課題組：通過構(gòu)筑具有剛性-柔性分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異的多級梯度模量界面層改善碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面性能的圖2

圖2 碳纖維的 SEM(a-c) 和 TEM(d-f) 圖像： (a,d) CF ， (b,e) CF-GO ， (c,f) CF-GO-PA.

作者通過XPS對CF-GO C1s和O1s的擬合分峰，發(fā)現(xiàn)在288.4和532.3 eV處分別出現(xiàn)了―COOH和―O―C＝O，證明GO成功接枝在碳纖維表面，接枝PA后，對C1s分峰發(fā)現(xiàn)在287.9 eV處出現(xiàn)了O＝C―N。除此之外，對N1s分峰，分別在400.1和399.3 eV處分別出現(xiàn)了O＝C―N和C―N，這意味著PA也成功地接枝在碳纖維表面。

青島大學(xué)馬麗春課題組：通過構(gòu)筑具有剛性-柔性分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異的多級梯度模量界面層改善碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面性能的圖3

圖3 寬掃描XPS光譜(a)，(b)CF，(c)CF-GO和(e)CF-GO-PA的C1s高分辨率XPS光譜; (d)O1的CF-GO高分辨率XPS光譜；(f)CF-GO-PA的N1s高分辨率XPS光譜.

作者還通過EDS線掃描通過測量碳元素含量表征了復(fù)合材料的界面厚度，從而驗證了多級梯度模量界面層的存在。梯度模量中間層將有利于應(yīng)力從環(huán)氧樹脂均勻轉(zhuǎn)移到碳纖維，從而改善復(fù)合材料的界面性能。

青島大學(xué)馬麗春課題組：通過構(gòu)筑具有剛性-柔性分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異的多級梯度模量界面層改善碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面性能的圖4

圖4 復(fù)合材料的橫截面微觀形貌 (a-c) 和 EDS 線掃描中碳元素的分布 (d-f) : (a,d) CF ， (b,e) CF-GO ， (c,f) CF-GO-PA.

最后作者測試了碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)界面剪切強度、層間剪切強度、壓縮強度和沖擊強度分別提高了76.8%、46.4%、40.7%和37.8%。在這項工作中，通過接枝剛性氧化石墨烯片和柔性多功能聚合物PA來構(gòu)造多級梯度模量中間層，提出了一種有效的替代方法來改善碳纖維復(fù)合材料的界面強度。CF-GO-PA表面的活性基團、粗糙度、表面能和中間層厚度均得到明顯改善。上述結(jié)果表明，這種具有多級梯度模量的剛?cè)嶂虚g結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)比其他先前報道更高的機械強度。而且，中間層可以通過改變PA的聚合時間來調(diào)節(jié)，設(shè)計策略可以擴展到其他系統(tǒng)以適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

青島大學(xué)馬麗春課題組：通過構(gòu)筑具有剛性-柔性分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異的多級梯度模量界面層改善碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面性能的圖5

圖5 (a)CF /環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的IFSS和ILSS以及(b)界面區(qū)域的示意圖.

青島大學(xué)馬麗春課題組：通過構(gòu)筑具有剛性-柔性分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異的多級梯度模量界面層改善碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面性能的圖6

圖6 (a) 壓縮性能的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線， (b) 壓縮強度和模量以及 (c) 碳纖維復(fù)合材料的沖擊性能 .

馮培峰碩士研究生是該論文的第一作者，馬麗春副教授為通訊作者。該項工作得到國家自然科學(xué)基金(No. 51803102和51903129)和山東省自然科學(xué)基金(No. 201807070028和201808220020)的資助。該工作即將于 Chinese Journal of Polymer Science 出版。

原文鏈接：

http://www.cjps.org/article/doi/10.1007/s10118-021-2549-4?pageType=en

來源：高分子科學(xué)

中科院寧波材料所在短切碳纖維增強聚合物材料導(dǎo)熱性能方面取得進展

日本研發(fā)世界首個碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料汽車底盤

寶馬開發(fā)種新型碳纖維加強型復(fù)合材料

青島大學(xué)馬麗春課題組：通過構(gòu)筑具有剛性-柔性分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異的多級梯度模量界面層改善碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面性能的圖7

免責聲明：部分資料來源于網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及分享，并不意味著贊同其觀點或證實其真實性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺，不為其版權(quán)負責。如涉及侵權(quán)，請聯(lián)系我們及時修改或刪除。郵箱：info@polymer.cn

青島大學(xué)馬麗春課題組：通過構(gòu)筑具有剛性-柔性分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異的多級梯度模量界面層改善碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面性能的圖8

青島大學(xué)馬麗春課題組：通過構(gòu)筑具有剛性-柔性分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異的多級梯度模量界面層改善碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面性能的圖9

誠邀投稿

歡迎專家學(xué)者提供稿件（論文、項目介紹、新技術(shù)、學(xué)術(shù)交流、單位新聞、參會信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，并請注明詳細聯(lián)系信息。高分子科技?會及時推送，并同時發(fā)布在中國聚合物網(wǎng)上。

歡迎加入微信群 為滿足高分子產(chǎn)學(xué)研各界同仁的要求，陸續(xù)開通了包括高分子專家學(xué)者群在內(nèi)的幾十個專項交流群，也包括高分子產(chǎn)業(yè)技術(shù)、企業(yè)家、博士、研究生、媒體期刊會展協(xié)會等群，全覆蓋高分子產(chǎn)業(yè)或領(lǐng)域。目前匯聚了國內(nèi)外高校科研院所及企業(yè)研發(fā)中心的上萬名頂尖的專家學(xué)者、技術(shù)人員及企業(yè)家。