碳纤维树脂基复合材料界面结构构筑及增强机制研究.pdfVIP

摘要

碳纤维（CF）增强树脂基复合材料因其质轻、高比强度和比刚度特性，成为

航空航天、汽车工业等的优异结构材料。CF复合材料的整体性能由界面相结构决

定。然而，由于CF的表面光滑且呈化学惰性，使得纤维与基体材料之间的粘合作

用较弱。在CF表面改性中，纤维与树脂间的界面梯度不足，模量匹配不够充分；

纳米粒子在CF表面的取向及分布比较随机，不能很好的发挥机械啮合作用；且纳

米粒子与聚合物的协同作用没有得到充分发挥，导致复合材料界面粘结性能提升有

限。针对上述问题，本文从CF表面梯度界面构筑、CF表面结构取向设计以及CF

表面结构多级协同优化三个角度出发，达到增强界面性能的目的。对功能化CF表

面形貌、结构、浸润性以及复合材料的界面及其厚度进行研究，并深入探讨界面强

化机理。研究的具体内容包括：

1.通过简单、高效、可控的物理涂覆法，将多层不同浓度的碳纳米管（CNTs）

施胶层引入到CF表面，在CF与树脂基体之间构筑多级递减梯度模量界面层。对纤

维表面的形貌、结构组成进行分析，并通过力学性能测试，探究了多级递减梯度结

构对界面性能的影响。随着可控多级递减梯度层的建立，Cn-CNT-CF/EP的界面性

能逐渐得到改善。特别是C4-CNTs-CF/EP的层间剪切强度（ILSS）、横向断裂拉伸

（TFBT）强度分别提高了65.7%和85.6%。多级递减梯度界面层使得CF与树脂间

的模量更好的匹配，因此裂纹可以递进式的分散到CF表面，从而降低了应力集中。

2.为了充分发挥纳米材料增强作用，改善纳米材料在纤维表面团聚且随机的分

布的状况，通过化学键作用在CF表面引入DAAQ分子，进而以DAAQ分子为生长

源，在CF表面生长COF纳米棒，构筑一种具有取向的“抓手”结构。对纤维表面

的形貌、结构组成进行分析，并通过力学性能测试，探究了所筑结构对界面性能的

影响。具有取向“抓手”结构的CF-COF-2的ILSS、界面剪切强度（IFSS）和

TFBT强度分别提高了54.2%、51.7%和69.3%。取向“抓手”结构增加了CF的润

湿性、粗糙度，促进了纤维与树脂的机械啮合作用，与丰富的氢键作用协同提高了

界面强度。COF纳米棒还可以嵌入到基体中，改善了因模量不匹配造成的应力集中。

3.为了进一步提升COF与树脂基体间的化学键合作用，增强其相容性，通过迈

克尔加成反应、席夫碱反应和π-π作用在CF表面引入多层分子量递增的聚合物，

构筑具有刚柔并济特性的类“蜘蛛网”多层级结构。对纤维表面的形貌、结构组成

进行分析，并通过力学性能测试，探究了所筑结构对界面性能的影响。CF-COF-

PP2的ILSS和TFBT强度分别提高了71.5%和93.2%。“蜘蛛网”多层级刚柔结构实

现了界面模量的平滑过渡，优化了材料的整体性能。通过复杂且互相关联的物理化

学网络，在提高界面粘合强度和能量吸收方面实现双重增强。

关键词：碳纤维环氧树脂基复合材料；界面增强；多级递减梯度；取

向抓手结构；刚柔蜘蛛网结构

Abstract

Carbonfiber(CF)reinforcedresin-basedcomposite,duetotheirlightweight,high

specificstrength,andhighspecificstiffnesscharacteristics,havebecomeexcellent

structuralmaterialsforaerospace,automotiveindustry,otherindustries.Theoverall

performanceofCFcompositeswasdeterminedbytheinterfacialphasestructure.However,

duetothesmoothsurfaceandchemicalinertnessofCF,thebondingactionbetweenthe

fiberandthematrixmaterialwasrelativelyweak.