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北化賈曉龍教授、楊小平教授團隊 Compos. Part B-Eng.：大絲束碳纖維的雙尺度浸潤行為及張力驅動機制研究

2023-10-29 來源：高分子科技

碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）具有輕質高強、化學穩定性好等優點，被廣泛應用于航空航天、軌道交通、風電等領域。小絲束碳纖維因其價格昂貴限制了在民用領域的應用，而大絲束碳纖維（LCF）具有性價比高、制件效率高等優勢，已成為近年來民用碳纖維領域發展的熱點方向。樹脂/纖維間良好的浸潤性是提升復合材料界面性能的基礎，然而LCF成倍增長的單絲密集堆積對樹脂浸潤造成了動力學障礙，削弱了LCF的浸潤性，導致與樹脂基體界面粘結性差，顯著降低了復合材料的整體性能，制約了LCF強度高效發揮。

北京化工大學材料學院賈曉龍教授、楊小平教授團隊致力于改善碳纖維/樹脂間的界面結合問題，以提升復合材料的整體性能。該團隊前期針對碳纖維的固有表面惰性問題，采用酞菁改性促進界面處的交聯網絡以增強復合材料的界面性能。（Composites Science and Technology. 2019, 173:24-32.）。同時，在碳纖維樹脂基復合材料浸潤性方面做了大量研究工作，通過調控樹脂配方粘度和碳纖維張力同步增強二者的浸潤效果，實現了纏繞成型復合材料的高質量制備，并以IV型儲氫氣瓶為代表獲得了2020年“光威杯”大學生復合材料創新大賽一等獎。

近期，該團隊針對大絲束碳纖維浸潤性存在的問題，在雙尺度上探究了大絲束碳纖維的浸潤機理及張力驅動下浸潤性優化過程。微觀上，以單絲接觸角測試作為主要手段，結合分子動力學方程擬合將結果進行精確化、可量化處理。宏觀上，通過張力驅動優化絲束浸潤性并進行量化表征（圖1）。

圖1 雙尺度接觸角測試裝置圖

在單絲尺度，對比去漿前后的LCF，通過對多潤濕速度下單絲接觸角的測量，結合動力學方程成功擬合出精確的平衡接觸角，減小了人為因素誤差。隨后，以擬合結果計算不同碳纖維的表面能及其分量，實現了不同表面狀態下LCF的浸潤性表征，并結合電鏡對樹脂球剝落后的殘留區域進行了對比驗證（圖2）。在絲束尺度，通過碳纖維絲束接觸角隨時間的變化幅度來分析纖維束的浸潤行為，基于浸潤速率方程定義浸潤速率常數來量化分析其浸潤性，揭示了毛細作用對絲束浸潤性影響機理，給出了絲束浸潤性影響因素及優化方法（圖3）。

圖2 分子動力學擬合結果及LCF的電鏡圖

圖3 絲束浸潤行為表征

基于絲束浸潤性影響因素評估結果，通過施加張力來維持纖維間距，以促進毛細芯吸作用，使絲束整體浸潤速率常數提高了144.7%。力學性能測試也印證了在最佳張力下由于浸潤性的大幅度優化，復合材料的層間剪切強度和NOL環拉伸強度分別提高了15.8%和16.4%。通過張力驅動，實現了LCF浸潤性的整體優化，展現出優異的力學性能（圖4；圖5）。

圖4張力對絲束浸潤性及復合材料力學性能影響

圖5不同張力下復合材料浸潤性及斷裂機制

該項工作構建了大絲束碳纖維浸潤性雙尺度表征方法，揭示了大絲束碳纖維單絲、絲束下的浸潤行為影響機制，實現了以張力驅動優化絲束間浸潤性，改善了LCF整體的界面結合，提高了復合材料力學性能，為進一步優化LCF的浸潤性提供了新方法和新手段。該工作以“Optimizing dual-scale wettability of epoxy resin on large-tow carbon fiber via tension-driven capillary wicking”為題，發表于復合材料領域頂級期刊《Composites Part B: Engineering》。北京化工大學碩士宋宇霄為論文第一作者，通訊作者為北京化工大學賈曉龍教授和葛磊老師。該研究受到國家重點研發計劃 (No. 2019YFB1504800)、北京市自然科學基金(Grant No. 2192044)、中央高校基本科研基金(Grant No. XK1802-2)、北京化工大學青年英才計劃、有機無機復合材料國家重點實驗室開放基金(Grant No. Oic-202001008, Oic-202101008, Oic-202201007)、中國工程院咨詢研究項目(No. 2020-XY-81)等項目支持。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359836823004390

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（責任編輯：xu）

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