[论文解读] Interlaminar toughening in structural carbon fiber/epoxy composites interleaved with carbon nanotube veils

Yunfu Ou, Carlos González+1 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2019

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 63被引用 4

一句话总结

本研究通过一种半工业化的气相工艺，将薄而连续的碳纳米管（CNT）衬垫直接集成到碳纤维织物上，实现了碳纤维/环氧树脂复合材料在I型断裂韧性上60%的提升。裂纹传播在CNT增韧的界面层上下交替进行，当CNT衬垫以低密度层形式沉积时，可增强层间韧性；而致密化的衬垫则成为缺陷。

ABSTRACT

The susceptibility to delamination is one of the main concerns in fiber reinforced polymer composites (FRPs). This work demonstrates improvements of 60% in Mode-I fracture toughness after integration of thin (~30 micron), continuous veils of carbon nanotubes (CNTs) directly deposited onto carbon fiber fabric as the CNT are drawn from the gas-phase using a semi-industrial process. A combination of optical imaging, scanning electron microscopy and a Raman spectroscopy provide a new rapid tool to unambiguously determine the crack propagation path by simple visual inspection of fracture surface. The results show that interlaminar crossing between CNT veil/CF interfaces is of paramount importance. The crack front alternatingly propagates above and below the CNT-toughened interlayer, significantly improving the fracture toughness of resultant laminates. This mechanism is strongly influenced by the method used to integrate the veils onto the CF. CNT veils directly deposited onto the fabrics as a low-density layer lead to large improvements in interlaminar properties, whereas compact CNT veils densified by solvent exposure prior to their integration in the lay-up act as defects.

研究动机与目标

• 为解决纤维增强聚合物复合材料中分层这一关键问题，该问题限制了结构的可靠性。
• 开发一种可扩展、低成本的层间增韧策略，利用碳纳米管衬垫实现工业应用。
• 研究CNT衬垫集成方法（直接沉积 vs. 溶剂致密化）对层间断裂性能的影响。
• 建立一种快速、直观的裂纹传播路径追踪方法，结合光学成像、扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱。
• 通过显微结构分析，识别CNT衬垫增强层压板中的主导增韧机制。

提出的方法

• 采用半工业化化学气相沉积（CVD）工艺制备了连续、厚度约为30 µm的CNT衬垫。
• 在不经过溶剂处理的情况下，将CNT衬垫直接沉积到碳纤维织物上，形成低密度层。
• 制备对照试样，其中CNT衬垫在铺层前经溶剂暴露处理以实现致密化。
• 通过带缺口的端部三点弯曲试验测量I型断裂韧性（GIC）。
• 利用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱分析裂纹传播路径及界面相互作用。
• 将显微结构观察结果与力学测试数据相关联，以识别增韧机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 将CNT衬垫直接沉积到碳纤维织物上，如何影响碳纤维/环氧树脂复合材料的层间断裂韧性？
• RQ2 CNT衬垫的形貌及其集成方法（如溶剂致密化）在影响分层抗力方面起什么作用？
• RQ3 光学成像和拉曼光谱能否提供一种快速、可靠的方法，用于识别断裂表面的裂纹传播路径？
• RQ4 CNT衬垫增强层压板中观察到的增韧效应背后的显微结构机制是什么？
• RQ5 为何经致密化的CNT衬垫在复合材料结构中表现为缺陷而非增韧剂？

主要发现

• 在直接沉积的低密度CNT衬垫复合材料中，I型断裂韧性（GIC）提高了60%。
• 裂纹传播在CNT增韧界面层的上下方交替穿越，表明通过裂纹偏转和桥接实现了有效的能量耗散。
• 在铺层前经溶剂暴露致密化的CNT衬垫作为缺陷存在，导致层间韧性低于对照组。
• 光学成像、SEM与拉曼光谱的结合，使通过断裂表面的目视检查能够明确识别裂纹路径。
• 裂纹在CNT衬垫/碳纤维界面处的层间穿越被确定为最主要的增韧机制。
• CNT衬垫的集成方法——特别是保持低密度并实现直接沉积——对于实现增强的抗断裂性能至关重要。