碳纤维/环氧树脂界面的强韧化设计方法研究

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.002

复合材料科学与工程 ›› 2023, Vol. 0 ›› Issue (8): 14-18.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.002

碳纤维/环氧树脂界面的强韧化设计方法研究

王沁宇¹, 卓家桂², 李新顶², 杜鹏程¹, 王文¹, 朱大雷³, 谈建平^4*

1.福建福清核电有限公司,福建 350318;
2.上海一核阀门股份有限公司,上海 201823;
3.北京卫星制造厂有限公司,北京 100094;
4.华东理工大学机械与动力工程学院,上海 200237

收稿日期:2022-08-02 出版日期:2023-08-28 发布日期:2023-10-20
通讯作者: 谈建平(1986—),男,博士,副教授,主要从事材料力学行为评价方法的研究,jptan@ecust.edu.cn。
作者简介:王沁宇(1991—),男,学士,工程师,主要从事机械设备检修和性能优化方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金(52075174)

Strengthening-toughening design method of carbon fiber/epoxy resin interface

WANG Qinyu¹, ZHUO Jiagui², LI Xinding², DU Pengcheng¹, WANG Wen¹, ZHU Dalei³, TAN Jianping^4*

1. Fujian Fuqing Nuclear Power Co., Ltd., Fujian 350318, China;
2. Shanghai Yihe Valve Co., Ltd., Shanghai 201823, China;
3. Beijing Satellite Manufacturing Co., Ltd., Beijing 100094, China;
4. School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China

Received:2022-08-02 Online:2023-08-28 Published:2023-10-20

摘要/Abstract

摘要： 为了同时提升碳纤维/环氧树脂复合后的界面强度和韧性,设计了新型“刚-柔”界面层。该方法采用超声分散将刚性的多壁碳纳米管(MWCNT)与柔性的热塑性聚氨酯(TPU)在N,N-二甲基甲酰胺溶液中均匀分散,随后采用浸涂法将MWCNT与TPU同时沉积在碳纤维表面对其进行改性。采用扫描电子显微镜、原子力显微镜、红外光谱和拉曼光谱对改性后碳纤维表面进行表征,并采用纤维束拔出实验测试了碳纤维/环氧树脂的界面剪切强度和拔出位移。结果表明:利用上述碳纤维/环氧树脂界面的强韧化设计方法可将MWCNT和TPU均匀沉积在碳纤维表面;与对照组相比,由于该方法实现了化学的氢键作用和物理的机械连锁作用的协同,改性后的碳纤维/环氧树脂界面剪切强度提升了163.3%,拔出位移提升了52.8%,表明本文所设计的“刚-柔”界面层对提升碳纤维/环氧树脂界面的强度和韧性有积极作用。

关键词: 复合材料, 强韧化设计, 界面剪切强度, 界面韧性

Abstract: To improve the interfacial strength and toughness of carbon fiber/epoxy resin composites simultaneously, a novel “rigid-soft” interface layer was constructed via dispersing rigid multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) and soft thermoplastic polyurethane (TPU) in N, N-Dimethylformamide solution by ultrasonic and depositing them on carbon fiber surface by dip-coating technique. Scanning electron microscopy, atomic force microscopic, fourier transform infrared spectroscopy and Raman spectroscopy were used to characterize the surface of CF. The interfacial shear strength (IFSS) and pull-out displacement of CF/epoxy resin composites were tested by fiber pull-out testing. The results show that: MWCNT and TPU can uniformly distributed on the surface of CF by above method. Compared with pristine CF, the IFSS and pull-out displacement of modified CF were respectively improved by 163.3% and 52.8% due to the hydrogen bonding and mechanical interlocking between MWCNT and TPU, which indicates the “rigid-soft” interface layer have a positive effect on the enhancement for the interfacial strength and toughness of carbon fiber/epoxy resin composites.

Key words: composites, strengthening-toughening design, interfacial shear strength, interfacial toughness

中图分类号:

TB332

王沁宇, 卓家桂, 李新顶, 杜鹏程, 王文, 朱大雷, 谈建平. 碳纤维/环氧树脂界面的强韧化设计方法研究[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(8): 14-18.

WANG Qinyu, ZHUO Jiagui, LI Xinding, DU Pengcheng, WANG Wen, ZHU Dalei, TAN Jianping. Strengthening-toughening design method of carbon fiber/epoxy resin interface[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2023, 0(8): 14-18.

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Strengthening-toughening design method of carbon fiber/epoxy resin interface

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