導讀
較差的斷裂韌性和介面強度一直是纖維增強樹脂基複合材料的面臨的難題，已有許多研究人員為此展開了大量工作。而對更新迭代數百萬年的生物結構進行模擬，是當前實現複合材料增強增韌重要的研究方向。陝西科技大學的Wu Qing（第一作者兼通訊作者）及其團隊在《Composites Science and Technology》上發表了題為“Layer-by-layer assembled nacre-like polyether amine/GO hierarchical structure on carbon fiber surface toward composites with excellent interfacial strength and toughness”的文章，從珍珠層的“漿砌結構”結構中受到啟發，將聚醚胺和氧化石墨烯逐層組組裝到碳纖維表面，製備了具有良好介面強度和韌性的仿生結構複合材料。
內容簡介
仿生複合材料纖維組裝過程如圖1所示，將直徑為5.5μm的聚丙烯腈基碳纖維在80℃的丙酮中退漿24小時，後對碳纖維採用80℃的硝酸氧化4小時。氧化後的纖維浸入含有0.1gPEA的100 ml PEA/DMF溶液中15分鐘，後在80℃下乾燥30分鐘，再將纖維轉移到含有0.1g GO的100 mlGO均勻分散的DMF溶液中並浸泡 15分鐘，然後在80℃下乾燥30分鐘得到CF/PEA/GO纖維，對纖維進行不同次數（記作n）的浸入和乾燥，以製備不同的PEA/GO混合多層膜，得到CF/(PEA/GO)n纖維（n = 1, 5, 9, 15, 20）。結合圖2可以看出，GO相當於“漿砌結構”中的石料，而PEA則成為了其中的砂漿。
圖1 CF/(PEA/GO)n纖維組裝過程
圖2 CF/(PEA/GO)n纖維的仿珍珠層漿砌結構
如圖3所示，由於GO的覆蓋率低以及相鄰GO片材之間缺乏協同相互作用與CF複合材料相比，塗有一層PEA/GO的纖維表現出較低的介面剪下強度。隨著沉積的PEA/GO層數不斷增加，介面剪下強度增加了15%~70%，呈現先增加後減少的趨勢，這是因為PEA在其中充當橋樑，將眾多GO片材作為屏障連線起來，從而有效地偏轉裂縫並減少應力集中。而含20層PEA/GO的纖維則因為層數過大，GO團聚引起了應力集中，介面強度反而有所下降。
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(a)不同纖維/環氧樹脂體系的介面剪下強度 |
(b) GO與PEA之間和相鄰GO之間的相互作用 |
圖3 CF/(PEA/GO)n/環氧樹脂介面剪下強度增強效果
圖4對比了CF/(PEA/GO)n膜的碳纖維的載荷-位移曲線和介面斷裂韌性，CF、CF/PEA/GO和CF/(PEA/GO)20的載荷-位移曲線呈線性，介面脫粘明顯，介面韌性較低。此外，在載荷-位移曲線中出現了箭頭指出的“扭結”點，代表開始產生裂紋。隨著載荷的繼續增加，裂紋擴充套件，然後在介面處被GO板偏轉，當達到峰值載荷時，裂紋擴充套件變得不穩定。對於CF/(PEA/GO)15，“扭結”點出現較早，峰值載荷較高，位移較長，證明GO層越多，有利於多次撓曲，裂紋擴充套件路徑越曲折，斷面面積越大，從而提高了斷裂能量吸收。
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(a)不同纖維/環氧樹脂體系的載荷-位移曲線 |
(b)不同纖維/環氧樹脂體系的介面斷裂韌性 |
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(c) CF/(PEA/GO)n纖維增強機理 |
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圖4 CF/(PEA/GO)n纖維的載荷-位移曲線和斷裂韌性
從圖5中可以看出，在纖維和三種測試液體（即水、甲醯胺和二碘甲烷）用於測定纖維的表面能（γ），受吸附的PEA和GO的影響，功能化後的CF/(PEA/GO)n (n = 1, 5, 9, 15, 20)纖維表面能的極性分量(γp)與CF相比均增加。此外，隨著層數的增加，改性纖維的γp呈現先增加後減小的趨勢，而高γp表明纖維表面有更多的活性基團，並在纖維和基質之間形成化學鍵，隨著處理週期的增加，纖維的潤溼性先提高後降低。CF/(PEA/GO)9纖維表現出的優異潤溼性有利於分子擴散和纖維與基體之間的後續化學反應，從而增強介面粘合力。
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(a)不同纖維的表面能 |
(b) 不同纖維的接觸角 |
圖5 CF/(PEA/GO)n纖維的表面能與接觸角
小結
文中製備了一種仿生增強增韌複合材料，透過單獨地將纖維進行漿砌結構組裝，改善了增強體與基體間的介面結合，增強了複合材料斷裂韌性，為新型仿生複合材料提供了一種新的研究方向。但不得不承認，目前為了模擬自然生物結構，往往需要花費較大的物料成本以及製備時間，我們仍然需要可以真正大規模應用的優質仿生結構。
原始文獻：Wu Q, Xin Y, Wan Q Q, et al. Layer-by-layer assembled nacre-like polyether amine/GO hierarchical structure on carbon fiber surface toward composites with excellent interfacial strength and toughness[J]. Composites Science and Technology, 2020, 198:108296.
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