北化贾晓龙教授、杨小平教授团队 Compos. Part B-Eng.：大丝束碳纤维的双尺度浸润行为及张力驱动机制研究

2023-10-29 来源：高分子科技

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有轻质高强、化学稳定性好等优点，被广泛应用于航空航天、轨道交通、风电等领域。小丝束碳纤维因其价格昂贵限制了在民用领域的应用，而大丝束碳纤维（LCF）具有性价比高、制件效率高等优势，已成为近年来民用碳纤维领域发展的热点方向。树脂/纤维间良好的浸润性是提升复合材料界面性能的基础，然而LCF成倍增长的单丝密集堆积对树脂浸润造成了动力学障碍，削弱了LCF的浸润性，导致与树脂基体界面粘结性差，显著降低了复合材料的整体性能，制约了LCF强度高效发挥。

北京化工大学材料学院贾晓龙教授、杨小平教授团队致力于改善碳纤维/树脂间的界面结合问题，以提升复合材料的整体性能。该团队前期针对碳纤维的固有表面惰性问题，采用酞菁改性促进界面处的交联网络以增强复合材料的界面性能。（Composites Science and Technology. 2019, 173:24-32.）。同时，在碳纤维树脂基复合材料浸润性方面做了大量研究工作，通过调控树脂配方粘度和碳纤维张力同步增强二者的浸润效果，实现了缠绕成型复合材料的高质量制备，并以IV型储氢气瓶为代表获得了2020年“光威杯”大学生复合材料创新大赛一等奖。

近期，该团队针对大丝束碳纤维浸润性存在的问题，在双尺度上探究了大丝束碳纤维的浸润机理及张力驱动下浸润性优化过程。微观上，以单丝接触角测试作为主要手段，结合分子动力学方程拟合将结果进行精确化、可量化处理。宏观上，通过张力驱动优化丝束浸润性并进行量化表征（图1）。

图1 双尺度接触角测试装置图

在单丝尺度，对比去浆前后的LCF，通过对多润湿速度下单丝接触角的测量，结合动力学方程成功拟合出精确的平衡接触角，减小了人为因素误差。随后，以拟合结果计算不同碳纤维的表面能及其分量，实现了不同表面状态下LCF的浸润性表征，并结合电镜对树脂球剥落后的残留区域进行了对比验证（图2）。在丝束尺度，通过碳纤维丝束接触角随时间的变化幅度来分析纤维束的浸润行为，基于浸润速率方程定义浸润速率常数来量化分析其浸润性，揭示了毛细作用对丝束浸润性影响机理，给出了丝束浸润性影响因素及优化方法（图3）。

图2 分子动力学拟合结果及LCF的电镜图

图3 丝束浸润行为表征

基于丝束浸润性影响因素评估结果，通过施加张力来维持纤维间距，以促进毛细芯吸作用，使丝束整体浸润速率常数提高了144.7%。力学性能测试也印证了在最佳张力下由于浸润性的大幅度优化，复合材料的层间剪切强度和NOL环拉伸强度分别提高了15.8%和16.4%。通过张力驱动，实现了LCF浸润性的整体优化，展现出优异的力学性能（图4；图5）。

图4张力对丝束浸润性及复合材料力学性能影响

图5不同张力下复合材料浸润性及断裂机制

该项工作构建了大丝束碳纤维浸润性双尺度表征方法，揭示了大丝束碳纤维单丝、丝束下的浸润行为影响机制，实现了以张力驱动优化丝束间浸润性，改善了LCF整体的界面结合，提高了复合材料力学性能，为进一步优化LCF的浸润性提供了新方法和新手段。该工作以“Optimizing dual-scale wettability of epoxy resin on large-tow carbon fiber via tension-driven capillary wicking”为题，发表于复合材料领域顶级期刊《Composites Part B: Engineering》。北京化工大学硕士宋宇霄为论文第一作者，通讯作者为北京化工大学贾晓龙教授和葛磊老师。该研究受到国家重点研发计划 (No. 2019YFB1504800)、北京市自然科学基金(Grant No. 2192044)、中央高校基本科研基金(Grant No. XK1802-2)、北京化工大学青年英才计划、有机无机复合材料国家重点实验室开放基金(Grant No. Oic-202001008, Oic-202101008, Oic-202201007)、中国工程院咨询研究项目(No. 2020-XY-81)等项目支持。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359836823004390

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（责任编辑：xu）

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