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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(qū)動機制研究
2023-10-29  來源:高分子科技

  碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料(CFRP)具有輕質(zhì)高強、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、風(fēng)電等領(lǐng)域。小絲束碳纖維因其價格昂貴限制了在民用領(lǐng)域的應(yīng)用,而大絲束碳纖維(LCF)具有性價比高、制件效率高等優(yōu)勢,已成為近年來民用碳纖維領(lǐng)域發(fā)展的熱點方向。樹脂/纖維間良好的浸潤性是提升復(fù)合材料界面性能的基礎(chǔ),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(xué)障礙,削弱了LCF的浸潤性,導(dǎo)致與樹脂基體界面粘結(jié)性差,顯著降低了復(fù)合材料的整體性能,制約了LCF強度高效發(fā)揮。


  北京化工大學(xué)材料學(xué)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(jié)合問題,以提升復(fù)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(lián)網(wǎng)絡(luò)以增強復(fù)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(fù)合材料浸潤性方面做了大量研究工作,通過調(diào)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(xiàn)了纏繞成型復(fù)合材料的高質(zhì)量制備,并以IV型儲氫氣瓶為代表獲得了2020年“光威杯”大學(xué)生復(fù)合材料創(chuàng)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(qū)動下浸潤性優(yōu)化過程。微觀上,以單絲接觸角測試作為主要手段,結(jié)合分子動力學(xué)方程擬合將結(jié)果進行精確化、可量化處理。宏觀上,通過張力驅(qū)動優(yōu)化絲束浸潤性并進行量化表征(圖1)。 


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(jié)合動力學(xué)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(jié)果計算不同碳纖維的表面能及其分量,實現(xiàn)了不同表面狀態(tài)下LCF的浸潤性表征,并結(jié)合電鏡對樹脂球剝落后的殘留區(qū)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(shù)來量化分析其浸潤性,揭示了毛細(xì)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(yōu)化方法(圖3)。 


2 分子動力學(xué)擬合結(jié)果及LCF的電鏡圖 


3 絲束浸潤行為表征


  基于絲束浸潤性影響因素評估結(jié)果,通過施加張力來維持纖維間距,以促進毛細(xì)芯吸作用,使絲束整體浸潤速率常數(shù)提高了144.7%。力學(xué)性能測試也印證了在最佳張力下由于浸潤性的大幅度優(yōu)化,復(fù)合材料的層間剪切強度和NOL環(huán)拉伸強度分別提高了15.8%16.4%。通過張力驅(qū)動,實現(xiàn)了LCF浸潤性的整體優(yōu)化,展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能(圖4;圖5)。 


4張力對絲束浸潤性及復(fù)合材料力學(xué)性能影響


圖5不同張力下復(fù)合材料浸潤性及斷裂機制


  該項工作構(gòu)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(xiàn)了以張力驅(qū)動優(yōu)化絲束間浸潤性,改善了LCF整體的界面結(jié)合,提高了復(fù)合材料力學(xué)性能,為進一步優(yōu)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(fā)表于復(fù)合材料領(lǐng)域頂級期刊《Composites Part B: Engineering》。北京化工大學(xué)碩士宋宇霄為論文第一作者,通訊作者為北京化工大學(xué)賈曉龍教授和葛磊老師。該研究受到國家重點研發(fā)計劃 (No. 2019YFB1504800)、北京市自然科學(xué)基金(Grant No. 2192044)、中央高;究蒲谢(Grant No. XK1802-2)、北京化工大學(xué)青年英才計劃、 有機無機復(fù)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)項目支持。


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

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