【学术前沿】东华大学俞建勇院士团队：低面密度PA66纤维网纱层间增韧碳纤维环氧树脂复合材料的性能
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️基本信息
️作者：赵庆志1,2, 阳泽濠1,2, 薛怿1,2, 冯阳阳1,2, 张文强1,2, 彭砚双1,2, 刘勇1,2, 张辉* 1,2, 俞建勇* 3
️单位：1. 东华大学 材料科学与工程学院，纤维材料改性国家重点实验室；2. 东华大学 民用航空复合材料协同创新中心；3. 东华大学 纺织科创中心
️基金项目：国家重点研发计划(2022YFB3709202)；上海市科学技术委员会(22511102702；20511107300)；发改委重大攻关项目(ZX202411130236)
️收稿日期：2024-02-27；录用日期：2024-03-21
️关键词：复合材料；层间增韧；碳纤维；聚酰胺66；纤维网纱
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️研究成果
️目的：
碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料因具有高比刚度、比强度和耐腐蚀性等优点，在航空航天、风力发电和轨道交通等领域有着十分广泛的应用。然而CF/EP复合材料常用的层压板结构中，碳纤维布层间主要依靠高度交联和脆性的环氧基体粘结和传递载荷，因此，CF/EP复合材料的层间韧性差，容易发生分层损伤。使用层间增韧技术提高CF/EP复合料的层间断裂韧性是近来的热门研究思路。其中，通过热塑性纤维网纱层间增韧CF/EP复合材料表现出优异的增韧效果。然而，高面密度增韧网纱的存在提升CF/EP复合材料层间韧性的同时会造成其它力学性能的下降。因此本文通过在复合材料层间区域引入不同面密度的聚酰胺66纤维网纱（PA66V），研究PA66纤维网纱面密度对CF/EP复合材料的增韧效果以及其它力学性能的影响，并探索PA66V的层间增韧机制。
️方法：
首先，采用湿法成网工艺制备了4、6、8和10 g/m2四种面密度的PA66V，将制备的PA66V插层于碳纤维单向布的层间，通过真空辅助树脂灌注（VARI）工艺固化成型制备CF/EP复合材料。接着，根据测试标准，对CF/EP复合材料进行I型和II型断裂测试，比较CF/EP复合材料层间断裂韧性的前后变化，并对样品断裂表面进行了详细的微观观察，以确定增韧机制。最后，探究了CF/EP复合材料的层间剪切性能和拉伸性能。
️结果：
通过在复合材料层间区域引入不同面密度的PA66V，当PA66V的面密度为4 g/m2时GIC达到最大值634.3 J/m2，比参考样提高了13.6%。从样品断裂面的照片可以发现，裸漏的碳纤维和树脂层交替存在，说明在整个I型测试过程中，裂纹在复合材料层间上下偏转；裂纹的偏转使得断裂路径变得曲折，增加了断裂能量的消耗。通过样品断裂面的扫描电镜图可以发现，PA66纤维在张开型载荷的作用下发生塑性形变并断裂，说明PA66纤维直接参与了能量耗散过程；同时载荷沿PA66纤维传递导致周围的环氧基体发生塑性变形，这可以引发裂纹的偏转，并缓解应力集中。
通过在复合材料层间区域引入不同面密度的PA66V，当面密度为4 g/m2时GIIC达到4514.5 J/m2的最大值，与参考样的1882.4 J/m2相比提升了139.8%。通过抛光侧面的显微观察，与参考样相比，增韧样品显示出更加曲折的裂纹路径，裂纹的偏转会造成了PA66纤维的塑形变形和横向撕裂，增加能量耗散。通过样品断裂面的扫描电镜图可以发现，参考样表面粗糙，产生了锯齿状裂纹。相比之下，增韧样品的断裂面可以观察到PA66纤维的变形和破坏，并且，由于裂纹偏转穿过树脂层可以在扫描电镜图中观察到树脂层的撕裂；裂纹的偏转不仅增加了裂纹扩展的总长度，而且还触发了不同的增韧机制：碳纤维与基体之间的脱粘拔出以及PA66纤维的变形断裂，这些机制阻碍裂纹扩展的同时吸收更多断裂能量。
不同面密度PA66V层间增韧CF/EP复合材料，面密度为4 g/m2的PA66V增韧复合材料达到了62.0 MPa的最佳ILSS，相比于参考样提升了6.5%；复合材料的拉伸强度达到了1371.9 MPa，与参考样的1304.6 MPa相比提升了5.2%。随着PA66V面密度的提升，复合材料拉伸性能出现了下降。
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️结论：
PA66V可以通过桥接扩展裂纹，引发裂纹偏转等机制增加断裂能耗以实现层间增韧。在低面密度的条件下，PA66V的引入并不会对复合材料其它力学性能造成负面影响。PA66V透气透胶性能良好，与树脂灌注工艺较为适配，应用在CF/EP复合材料层间增韧领域，可以在低面密度条件下显著提升复合材料层间断裂韧性，并且不会对其它力学性能造成严重影响。
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️作者团队简介
第一作者
️赵庆志
️赵庆志，硕士，研究方向为改善碳纤维增强环氧树脂基复合材料层间断裂韧性。
通信作者
️张辉
️张辉，研究员、博导，东华大学民用航空复合材料协同创新中心副主任，中组部万人计划“青年拔尖”人才，主要从事碳纤维增强树脂基复合材料方面的研究。
通信作者
️俞建勇
️俞建勇，中国工程院院士，教授、博导。国家新材料产业发展专家咨询委员会副主任、中国复合材料学会理事长、上海市复合材料学会理事长、《复合材料学报》顾问编委。2011年首届中国纺织工程学会“中国纺织学术大奖”，2018年改革开放四十年纺织行业突出贡献人物。
长期致力于纺织材料领域的科研与教学，在天然纤维资源开发、化学纤维创制应用、纺织复合材料和纺织功能材料等方面开展基础理论、关键技术和应用开发研究，取得系列创新性成果。获国家技术发明二等奖2项、国家科技进步二等奖2项；合著书籍5部；发表论文400余篇；授权国家发明专利100多项；指导研究生100余名。
️引用格式：
赵庆志, 阳泽濠, 薛怿, 等. 低面密度PA66纤维网纱层间增韧 碳纤维/环氧树脂复合材料的性能[J]. 复合材料学报, 2025, 42(1): 263-271.
