近年來，熱固性樹脂基復(fù)合材料因其**的特定力學(xué)性能，已成為多個(gè)領(lǐng)域的**材料。其中，熱固性環(huán)氧樹脂因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)——包括強(qiáng)大的粘附能力、優(yōu)異的電氣絕緣性能、極低的固化收縮率以及**的尺寸穩(wěn)定性、在**制造業(yè)如航空航天與軌道交通等領(lǐng)域中占據(jù)了舉足輕重的地位，并得到了**的推廣與應(yīng)用。然而，固化后這些樹脂形成了一個(gè)含有醚鍵和苯環(huán)的高交聯(lián)密度的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這使其展現(xiàn)出較高的脆性、較低的沖擊強(qiáng)度以及較差的耐熱性，從而限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用前景。因此，制備性能良好的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料引起了學(xué)術(shù)界的**關(guān)注。良好的界面粘接可確保從基體到纖維的有效載荷傳遞，這有助于降低應(yīng)力集中并改善整體機(jī)械性能。由于靠近纖維表面的基體中相同區(qū)域的性質(zhì)與基體的性質(zhì)不同，因此增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完整性，可以讓基體與纖維之間的應(yīng)力傳遞更好。

一 、研究現(xiàn)狀

目前，CFRP復(fù)合材料的整體力學(xué)性能通常通過三種方法得到增強(qiáng)：基體改性、CF表面處理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。樹脂基體改性的重點(diǎn)是通過將彈性體（橡膠）、熱塑性樹脂或剛性顆粒等高韌性物質(zhì)作為二相摻入樹脂體系中，并通過在環(huán)氧樹脂中引人“柔性分子鏈段”來增韌環(huán)氧樹脂，從而增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的韌性。CF表面處理方法包括空氣氧化、化學(xué)接枝、物理沉積、輻照、液相氧化、表面涂層和多尺度改性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括有交錯(cuò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

二、環(huán)氧樹脂基體改性

1.熱塑性樹脂在CFRP中加熱塑性(TP)是提高韌性和抗沖擊性的常用方法,它可以提高環(huán)氧樹脂的斷裂韌性,而不會(huì)降低熱性能或彈性模量。熱塑性樹脂與環(huán)氧樹脂相分離形成的雙相結(jié)構(gòu)是環(huán)氧基復(fù)合材料中熱塑性樹脂交錯(cuò)的主要增韌機(jī)理。如聚醚醚酮(PEEK)聚碳酸酯(PC)通過熔融共混或溶液共混法與環(huán)氧樹脂混合,可以改善材料的韌性。赫玉欣等研究了聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚碳酸酯（PC）和聚醚酰亞胺（PEI）三種熱塑性塑料在環(huán)氧樹脂（EP）中的應(yīng)用。通過將這三種塑料溶解于EP中并加固化劑進(jìn)行固化，研究了它們對(duì)EP基體在低溫下沖擊性能及熱膨脹系數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，這三種熱塑性塑料的分子鏈中的羰基在 EP 固化過程中能夠與環(huán)氧分子側(cè)鏈的羥基形成氫鍵，從而增強(qiáng)了塑料與 EP 之間的界面結(jié)合力。同時(shí)，相較于純EP，使用 PBT、PEI 和 PC 改性的 EP 在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下的熱膨脹系數(shù)（CTE）分別降低了14.9%、17.4%和 23.9%；在77K時(shí)，改性的EP 復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度則分別提高了30.6%、45.8%和 34.1%。

2.橡膠彈性體改性環(huán)氧樹脂用橡膠增韌EP是非均相增韌體系中的傳統(tǒng)方法之一。液態(tài)橡膠的添加抑制了熱塑性材料的裂紋擴(kuò)展，一般來說，橡膠增韌EP可分為反應(yīng)性液體橡膠和橡膠顆粒，已經(jīng)開發(fā)了許多方法來增韌環(huán)氧樹脂,其中摻入液體橡膠,如丁二烯丙烯腈共聚物,羥基封端聚丁二烯(HIPB)和天然橡膠, 似乎是*成功的方法。眾所周知,兩種具有相似溶解度參數(shù)的材料應(yīng)該相互兼容。官能團(tuán)化可以增加官能化橡膠的內(nèi)聚能,從而增加溶解度參數(shù), 從而增加環(huán)樹脂與橡膠之間的相容性。Zhao 等以羧基封端丁二烯丙烯腈 (CTBN)為增韌劑,制備了一種高韌性環(huán)氧樹脂,對(duì) AC-80 環(huán)氧樹脂進(jìn)行了改性。系統(tǒng)研究了復(fù)合材料基體力學(xué)性能、CFs 表面性能、拉伸性能和斷裂形貌等因素,闡明了影響高性能 CF/EP 復(fù)合材料界面粘接的關(guān)鍵因素。結(jié)果表明,當(dāng)環(huán)氧樹脂中 CTBN 含量為 6.90w1.%時(shí),韌性提高*為**。由于 T800SC 具有高含量的極性官能團(tuán)和優(yōu)異的表面潤濕性,T800SC/EP 復(fù)合材料與T800HB/EP 復(fù)合材料相比表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能。Xu 等制備了一種原位預(yù)交聯(lián)的 CTBN/環(huán)氧樹脂共混物，與傳統(tǒng)的,具有更好的機(jī)性能。在預(yù)交聯(lián)的 CIBN/環(huán)氧樹脂共混物中形成了局部互穿結(jié)構(gòu),**提高了兩相之間的相容性和界面粘附性,從而使共混物具有良好的力學(xué)性能。然而,所使用的橡膠丙烯含量高(25%),因此可與環(huán)氧樹脂混溶。

3.納米材料改性環(huán)氧樹脂為探討納米材料增強(qiáng)樹脂的機(jī)制，Ruban 等人通過引入功能化的膠狀納米二氧化硅對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行了改性處理，旨在增強(qiáng)其抗沖擊性能。他們的研究揭示了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：隨著環(huán)氧樹脂中胺改性納米粒子含量的逐步提升，其力學(xué)性能起初呈現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢(shì)，但達(dá)到某一臨界點(diǎn)后，繼續(xù)增加納米粒子的含量反而會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能的下降。另一方面，Tian 等分析了應(yīng)變速率對(duì)高交聯(lián)環(huán)氧樹脂力學(xué)性能的影響。在四縮水甘油基-4,4'-二氨基二苯甲烷（TGDDM）和雙酚 A 型環(huán)氧樹脂（DGEBA）的混合樹脂中加入10%納米氧化硅后，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變速率的增加，材料的壓縮模量和斷裂韌性有所提升，同時(shí)伴隨著斷裂應(yīng)變和極限強(qiáng)度的輕微降低。這主要因?yàn)榧{米顆粒的均勻分布有效減少了材料內(nèi)部的局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象?？茖W(xué)家還發(fā)現(xiàn)，在較低的應(yīng)變速率條件下，這種納米增**果更為**，而在較高的應(yīng)變速率下則有所減弱，這進(jìn)一步揭示了納米二氧化硅與聚合物基體間相互作用強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變速率的敏感性，即在高速形變下，兩者間的相互作用力減弱，導(dǎo)致增**應(yīng)不如低速時(shí)明顯。

三、碳纖維表面改性

碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的效能，不僅根植于纖維與樹脂各自的本征特性，更緊密關(guān)聯(lián)于它們之間的結(jié)合牢固度與相容性。碳纖維以其**度與高模量著稱，卻也因脆性特質(zhì)及光滑表面與樹脂基體的結(jié)合顯得薄弱，易在受力時(shí)發(fā)生脫黏，從而削弱了整體的斷裂韌性。為了彌補(bǔ)這一不足，研究者們致力于碳纖維的表面改性，旨在通過化學(xué)接枝技術(shù)，將活性官能團(tuán)巧妙地“嫁接”到纖維表面 ，以此促進(jìn)與樹脂的化學(xué)反應(yīng)，形成更為緊密的結(jié)合；或者采用氧化處理，對(duì)纖維表面進(jìn)行精細(xì)的“雕琢”，增加其表面積，使纖維與樹脂之間能夠形成更為穩(wěn)固的機(jī)械鎖合，從而**提升復(fù)合材料的整體性能。

四、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

除了對(duì)樹脂和纖維表面的改性外，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)其綜合力學(xué)性能也具有重要影響。碳纖維是復(fù)合材料的**承載元件，其性能直接影響著復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度以及斷裂韌性。為了有效提升這些力學(xué)性能，對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行精細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。特別地，在層壓復(fù)合材料的制造過程中，鋪層設(shè)計(jì)的優(yōu)化成為了提升材料力學(xué)性能的一項(xiàng)關(guān)鍵策略。Navarro等人的研究探討了不同鋪層方式對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料斷裂韌性的影響，觀察到不同斷口形態(tài)。圖 2(a)中的 CgICo（0°鋪層）斷面顯示出纖維與樹脂界面層的脫黏，而 C45IC45（45°鋪層）斷面則較為粗糙，主要集中于基體表面的破壞（見圖 2(b)。研究表明，與 Co//Co 結(jié)構(gòu)相比，C45//C45 在I型斷裂韌性（G?c）和Ⅱ型斷裂韌性（GπC）上都有所提升。此外，Partridge 等采用 2-pins 技術(shù)進(jìn)行了增韌設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn) Z-pins的植入能夠**提升層合板的工型和亞型斷裂韌性。隨著2-pins 密度增加，G?c 和 Gūc 也隨之提高。

五、結(jié)論與展望

碳纖維/環(huán)氫樹脂基復(fù)合材料的增韌改性研究已取得**進(jìn)展,通過環(huán)氧樹脂改性、碳纖維表面改性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法,有效提高了材料的韌性，然而,面對(duì)不斷提升的高性能和多功能化需求,復(fù)合材料的研究和應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn),需要進(jìn)一步探索新型納米材料的作用機(jī)制,開發(fā)更高效和環(huán)保的界面改性技術(shù),創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念,以實(shí)現(xiàn)材料在極端條件下的可靠性能。因此,持續(xù)的創(chuàng)新和多學(xué)科協(xié)作將是推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。通過材料科學(xué)、化學(xué)工程和機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的交叉研究,可以實(shí)現(xiàn)碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料性能的**提升,滿足航空航天、汽車制造、建筑工程等領(lǐng)城日益嚴(yán)格的應(yīng)用要求。同時(shí),隨著環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的重視,研究更綠色和可再生的增韌改性方法也將成為未來的重要方問這些努力將共同推動(dòng)碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的持續(xù)進(jìn)步和**應(yīng)用。

來源：網(wǎng)絡(luò)