羧基功能化多壁碳纳米管增强E-玻璃纤维/环氧树脂层合板的II型断裂韧性与残余弯曲强度研究

这篇研究通过添加三种不同尺寸的羧基功能化多壁碳纳米管（COOH-MWCNTs），系统探究了其对E-玻璃纤维/环氧树脂层合板II型层间断裂韧性（GIIc）和残余弯曲强度的增强机制。实验表明，0.3 wt%的短薄型MWCNTs可使GIIc提升77%，并通过SEM证实了纳米管通过纤维-基体界面增韧、裂纹偏转和纤维桥接等微观机制发挥作用。该研究为复合材料抗分层设计提供了重要数据支撑。

　　

摘要

研究采用三种羧基功能化多壁碳纳米管（COOH-MWCNTs）改性E-玻璃纤维/环氧树脂层合板，通过ASTM标准测试了不同重量比（0.1%-0.9%）纳米管对II型层间断裂韧性（G_IIc）和残余弯曲强度的影响。短薄型MWCNTs（10-20 nm直径，10-30 μm长度）在0.3 wt%添加量时表现最优，G_IIc提升约2倍，而长厚型MWCNTs效果较弱。扫描电镜（SEM）显示纳米管通过界面增强、裂纹阻碍和纤维桥接等机制增韧。

引言

纤维增强复合材料（FRC）层合板在工业应用中易因层间微裂纹导致分层失效。过去30年研究多集中于碳纤维/环氧体系，而E-玻璃纤维/环氧体系的II型断裂行为缺乏系统研究。本文填补了这一空白，并首次报道了分层后层合板的残余弯曲强度数据。

实验方法

材料制备

使用单向E-玻璃纤维布（300 g/cm²）和DGBA环氧树脂，通过真空袋压法制造[0₁₆]铺层层合板。在中间层植入12 μm PET膜预制裂纹。三种MWCNTs参数见表1，经6小时超声分散后加入树脂。

力学测试

按ASTM D7905-14进行端部缺口弯曲（ENF）试验，试样尺寸137.5×25×4.4 mm，跨距100 mm。通过视觉观察（VIS）和非线性（NL）点确定临界载荷P_cr，计算G_IIc。分层后试样继续接受三点弯曲测试以测定残余强度。

结果与讨论

断裂行为

未改性层合板的断裂面呈现脆性"河流纹"，纤维-基体界面结合差。添加MWCNTs后：

1. TYPE 1 CNTs（短薄型）：0.3 wt%时G_IIc提升77.7%，SEM显示锯齿状纤维沟槽和基体粗糙化（图6c）。

2. TYPE 2 CNTs（长厚型）：0.3 wt%时G_IIc增加51.1%，断裂面出现垂直于纤维方向的"锯齿"形貌（图7c），表明剪切应力诱导的基体微裂纹。

3. TYPE 3 CNTs（短薄型）：0.3 wt%时G_IIc提高66.6%，纳米管团聚体有效阻碍裂纹扩展（图8c）。

残余强度

所有MWCNTs改性层合板在分层后仍保持30%以上的残余弯曲强度（表3）。TYPE 1 CNTs改性试样最高强度达352 MPa（较未改性提升30.8%），失效模式均为上层先断裂（图9）。

结论

1. MWCNTs通过增强纤维-基体界面结合和裂纹偏转使G_IIc最高提升77%；

2. 0.3 wt%短薄型MWCNTs为最优选择，过量添加反致性能下降；

3. 纳米管团聚虽非理想状态，但通过增加断裂面粗糙度提升了韧性；

4. 分层后层合板仍保留显著载荷能力，拓展了复合材料损伤容限设计空间。

创新点

首次阐明MWCNTs尺寸与含量对E-玻璃纤维/环氧体系II型断裂的定量影响，并建立微观形貌-宏观性能关联，为航空航天等领域复合材料设计提供新思路。