[论文解读] Polyaniline and graphene nanocomposites for enhancing the interlaminar fracture toughness and thermo-mechanical properties of carbon fiber/epoxy composites

Pralhad Lamichhane, Dilli Dhakal+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2022

Conducting polymers and applications被引用 8

一句话总结

本研究开发了聚苯胺包覆石墨烯纳米片（PANI-GNP）在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）中的分散体系，以提升碳纤维/环氧树脂复合材料的层间断裂韧性和热机械性能。通过将5 wt%的GNP掺入PVP并应用于层间区域，实现了79%的I型层间断裂韧性提升，动态机械分析证实了储能模量的改善。

ABSTRACT

Delamination is one of the major concerns for carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites. Improving fracture toughness reduces delamination and allows for the creation of multifunctional CFRP. In this study, polyaniline (PANI) coated graphene nanoplatelets (GNP) are introduced in the interlaminar region of CFRP pre-preg with the aid of environmentally friendly thermoplastic polymer, polyvinylpyrrolidone (PVP). The GNP content is varied as 1, 3, and 5% by weight with respect to PVP. The improvements in the fracture toughness are investigated using a double cantilever beam test. An improvement of approximately 79% in mode-I fracture toughness is observed with the addition of 5 wt% GNP with respect to PVP. Dynamic mechanical analysis results confirmed the improvements in storage modulus but showed a decrease in glass transition temperature with the addition of nanofiller. Various spectroscopic analysis and imaging techniques were used to understand and evaluate the interactions of nanocomposites with CFRP pre-preg.

研究动机与目标

• 为解决碳纤维/环氧树脂复合材料中主要的层间分层失效问题。
• 开发一种以环境友好型PVP为基质的多功能层间界面，用于PANI-GNP纳米复合材料。
• 在不损害可加工性的前提下，提升碳纤维增强环氧树脂（CFRP）的层间断裂韧性和储能模量。
• 研究GNP负载量（1、3、5 wt%）对力学和热性能的影响。

提出的方法

• 通过原位聚合方法合成聚苯胺包覆石墨烯纳米片（PANI-GNP）。
• 将PANI-GNP以1、3和5 wt%的负载量分散于聚乙烯吡咯烷酮（PVP）中，形成热塑性界面。
• 采用可扩展且环境友好的方法，将PANI-GNP/PVP复合材料涂覆于碳纤维/环氧预浸料的层间区域。
• 通过I型加载下的双悬臂梁（DCB）试验评估断裂韧性。
• 采用动态机械分析（DMA）评估储能模量和玻璃化转变温度（Tg）的变化。
• 利用光谱学和显微成像技术（如SEM、FTIR）分析界面相互作用和分散状态。

实验结果

研究问题

• RQ1 PANI-GNP/PVP界面的引入如何影响碳纤维/环氧树脂复合材料的I型层间断裂韧性？
• RQ2 在PVP中，GNP的最佳负载量（1、3或5 wt%）为何值时可实现断裂韧性和热机械性能的最大化？
• RQ3 PANI-GNP/PVP界面如何影响复合材料的储能模量和玻璃化转变温度？
• RQ4 哪些界面相互作用和分散特性导致了观察到的力学性能提升？

主要发现

• 与纯PVP增强的复合材料相比，5 wt% GNP在PVP中的引入使I型层间断裂韧性提高了79%。
• GNP的添加使复合材料的储能模量提高，表明层间区域的刚度得到增强。
• 随着GNP负载量的增加，玻璃化转变温度（Tg）降低，表明可能存在塑化效应或界面松弛现象。
• 光谱学和显微分析证实了PANI-GNP与PVP之间存在强界面相互作用，且在最佳负载量下分散均匀。
• PANI-GNP/PVP体系有效桥接了层间界面，在裂纹扩展过程中促进了能量耗散。
• 该方法实现了一种可扩展、环境友好的多效能界面设计方法，且不改变基体复合材料的加工工艺。