编者按 自从上世纪六七十年代，碳纤维实现工业化以来，碳纤维及其复合材料获得高速发展，并不断推动碳纤维及其复合材料技术进步，为了提升碳纤维复合材料的专业技术知识，本公众号特建立了最新技术进展专题，主要介绍国内外碳纤维及其复合材料领域的最新技术进展。 本文主要介绍了美国橡树岭国家实验室在碳纤维复合材料性能研究领域的最新进展，成果发表在今年1月复合材料科学与技术杂志上，主要研究了二氧化钛颗粒增强对碳纤维复合材料结构与性能的影响。
碳纤维复合材料的高比强度特性使其在结构应用中格外引人注目，但是，在高应变条件或高疲劳循环等条件下，会出现突发性、灾难性的失效行为，这使得碳纤维复合材料的低应变失效成为关注的焦点。
而复合材料内部出现的损伤让这一点更加复杂，因为它表面上并未显示出损伤。因此，在保持复合材料良好性能的同时，如何监控复合材料本身的结构完整性和应力应变史对确保安全运行至关重要。
美国橡树岭国家实验室的科研人员成功的采用连续浸渍处理方式，在碳纤维表面均匀地包覆TiO₂纳米颗粒，而TiO₂纳米颗粒在碳纤维上的均匀分散证明可以制备具有增强自传感能力的压阻性碳纤维-聚合物基复合材料。与未进行颗粒增强的复合材料相比，嵌入纳米颗粒的复合材料具有更高的强度和阻尼。
为了制备纳米颗粒复合材料，通过由纳米颗粒表面处理槽和上浆槽组成的连续装置，对碳纤维进行处理。纳米颗粒表面处理浴由分散在水中的纳米颗粒组成，并在浸渍过程中搅拌以均匀涂覆纤维，如下图所示。
利用扫描电子显微镜观察到纤维每根丝束表面均存在均匀涂层，随着浆槽中纳米颗粒重量百分比的增加，纤维表面的纳米颗粒含量也随之稳步增加，下图中a-e分别为TiO₂纳米颗粒含量0、1.0wt%、2.0wt%、3.0wt%和4.0wt%。
复合材料力学性能结果显示：当颗粒增强复合材料中TiO₂为1.0wt%时，复合材料的层间剪切强度比增强前提高了14.7%。
当颗粒增强复合材料中TiO₂为1.5wt%时，复合材料在Tg处的tanδ增加幅度高达247%，说明纳米颗粒涂层纤维具有一定的阻尼效果。而压阻特性研究显示，当TiO₂含量为2.5 wt%时，压阻灵敏度提高了186%。
本研究通过利用这种连续的、商业上可扩展的纳米颗粒涂层工艺，制造出了多功能碳纤维复合材料，这种复合材料不仅可以提高复合材料结构的强度，还可以集成用于结构健康监测的自传感能力，因此具有潜在的广阔应用前景。
联系客服
