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碳纖維/環氧樹脂基復合材料增韌改性的研究進展（四）
3 復合材料結構設計
除環氧樹脂和碳纖維表面改性外，復合材料的結構設計對力學性能也有很大的影響。交錯法是另一種有效的增韌技術，可以在保持復合材料原有面內性能的同時實現高層間韌性。另外還可以采用夾層結構，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構設計改善了復合材料的界面性能，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一步縮小。此外，CF表面的剛柔結構設計產生了多級梯度界面，使CF到樹脂的模量平滑和緩沖。與優化界面的多尺度界面結構相比，上述協同作用允許適當的模量匹配，從而獲得優異的界面性能。實驗結果表明，雙向結構設計CF復合材料的ILSS比原CF復合材料提高了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構建可為未來高性能CF增強樹脂復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，以增強碳纖維/環氧樹脂復合材料的層間斷裂韌性。采用水性環氧樹脂處理纖維素纖維夾層，提高與環氧基體的界面相容性。端部缺口彎曲結果表明，碳纖維/環氧樹脂復合材料中纖維素纖維夾層的加入**提高了模式Ⅱ層間斷裂韌性，這是由于FFs和CNFs的協同作用。切碎FFs的三維網絡由于其良好的相容性而緩解了CNFs的團聚，導致在分層過程中有更多的纖維橋接和纖維拉出。CNF的存在進一步改善了FFs和環氧基體的界面性能，有利于亞麻纖維的纖維化，阻礙層間裂紋的生長。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層。研究表明，與純PEI中間膜相比，CNCs增強PEI納米纖維中間膜的GIc和GHc分別提高了28%和20%。增韌機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聚合物對裂紋的針刺作用。織物預成型，使用三維編織、針織或編織物預成型體，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，增強了碳環氧復合材料層壓板的力學性能和抗分層性。碳/環氧復合材料層壓板與聚酰胺纖維交織，拉伸強度提高約20%,殘余強度提高31%,臨界能量釋放率提高約120%。機械性能和抗分層性的改善歸因于聚酰胺纖維和環氧樹脂之間的化學反應交聯。
4 結論與展望
碳纖維/環氧樹脂基復合材料的增韌改性研究已取得**進展，通過環氧樹脂改性、碳纖維表面改性和結構設計等方法，有效提高了材料的韌性。然而，面對不斷提升的高性能和多功能化需求，復合材料的研究和應用仍面臨諸多挑戰，需要進一步探索新型納米材料的作用機制，開發更高效和環保的界面改性技術，創新結構設計理念，以實現材料在極端條件下的可靠性能。因此，持續的創新和多學科協作將是推動該領域發展的關鍵。通過材料科學、化學工程和機械設計等領域的交叉研究，可以實現碳纖維/環氧樹脂基復合材料性能的**提升，滿足航空航天、汽車制造、建筑工程等領域日益嚴格的應用要求。同時，隨著環保和可持續發展的重視，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碳纖維/環氧樹脂基復合材料的持續進步和廣泛應用。
來源：紡織科學與工程學報，四川大學輕工科學與工程學院，四川環龍技術織物有限公司，邁愛德編輯整理
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