棉花纖維素納米纖維交織增強碳纖維復合材料的層間斷裂韌性

李仁煥

（南寧學院，廣西 南寧 530299）

隨著社會對輕質材料的需求不斷增加以及復合材料技術的不斷進步，以碳纖維為代表的一系列新型材料成為材料行業的研究重點，并被廣泛應用于工業工程各個領域[1]。碳纖維復合材料是典型疊層結構，外部性能遠低于面內性能，因此容易在外部載荷作用下失效。在發展高性能碳纖維復合材料的過程中，層壓板結構制品在外界不良載荷作用下容易發生層間失效的問題一直受到關注[2-3]。本研究將棉花纖維素納米纖維交織加入碳纖維復合材料中，分析棉花纖維素納米纖維交織增強纖維復合材料層間斷裂韌性的作用機理，為增強碳纖維層間斷裂韌性的研究提供一定理論及實驗支撐。

1 實驗部分

1.1 試樣制備

1.1.1 棉花纖維素納米纖維的制備

首先，取5～10 g脫脂棉并將其撕成小塊，取500 mL蒸餾水、少量冰醋酸與亞氯酸鈉混合攪拌均勻后，將脫脂棉放入其中，磁力加熱1.0 h，清洗至pH為7。此時得到的脫脂棉已經較為全面地去除了地木質素。其次，將脫脂棉加入定量氫氧化鉀溶液中，持續攪拌加熱，去除其中的半纖維素，清洗至pH為7。再次，將脫脂棉加入定量鹽酸溶液中，攪拌加熱2.5 h，使用蒸餾水將其清洗至pH為7。最后，將得到的懸浮液體置于實驗室用研磨機中，研磨30次以上，得到棉花纖維素納米纖維。

1.1.2 碳纖維復合材料層壓板的制備

（1）試樣鋪貼。首先，用小刀將碳纖維切成100～200 mm的細小塊狀纖維，在實驗儀器的輔助下，通過手工鋪貼的方式鋪貼于預先準備好的模具表面。在鋪貼過程中，每隔5～8次對碳纖維材料進行1次真空處理，保證各層碳纖維材料能較好地貼合。其次，在實驗組的碳纖維復合材料層間插入交織的棉花纖維素納米纖維材料，緊貼棉花纖維素納米纖維材料放入聚四氟乙烯薄膜，在實驗開始前形成實驗初始裂紋。最后，在制備好的疊層表面覆蓋脫模布、透氣氈以及隔離膜等材料，并將整個復合材料試塊置于真空環境中備用。（2）試樣固化。對備用復合材料疊層進行真空檢驗，顯示合格后將其固化（固化溫度為195 ℃，固化時間為8.0 h，空間壓力為700 kPa）。（3）試樣制備。將固化的試樣冷卻一段時間，對其進行掃描，確保復合材料層合板中無明顯錯誤。

1.2 測試與表征

1.2.1 FT-IR測試

為進一步測試棉花纖維素納米纖維層的化學官能團變化數據，本研究對試樣進行FT-IR測試。在測試過程中，所用儀器分辨率為8 cm-1，儀器掃描次數總共為20次。

1.2.2 力學性能測試

本研究依據ASTMD標準測試棉花纖維素納米纖維層增強碳纖維復合材料的抗彎性能。在實驗過程中，各試件大小為40 mm×6 mm×3 mm。每次實驗的實驗組和對照組均選用4個無缺陷樣本。

1.2.3 FE-SEM測試

觀察實驗組及對照組在相同條件下的液氮脆斷斷面狀況。值得注意的是，在觀察試樣之前，需在試樣表面和界面噴金，確保樣本在觀察過程中的放電量不會對斷面形貌及觀察人員造成影響。

2 棉花纖維素納米纖維交織增強碳纖維復合材料層間斷裂韌性分析

分析實驗組棉花纖維素納米纖維交織增韌實驗結果發現，棉花纖維素納米纖維交織的內部空間結構相對穩定，且性狀表現為分布均勻、無序交錯的三維空間網狀結構。具體而言，實驗組試樣中的纖維之間的基體相互粘接，纖維貫穿于整個試樣基體空間中。在實驗過程中，試樣斷裂測試開始后，纖維在碳纖維基體出現脫粘和拔出現象，且很多纖維雜亂散布于基體之外。進一步研究發現，在實驗組試樣樣本中的纖維脫粘和拔出過程中，碳纖維試樣基體產生形變，且纖維之間的脫粘和拔出并非來自同一平面。在高倍顯微鏡下觀察發現，試樣樣本基體出現許多纖維空槽，這些空槽正面在碳纖維復合材料層間斷裂過程中，棉花纖維素納米纖維交織使基體內部纖維產生曲折形變。這些形變區域較好地吸收了碳纖維斷層釋放的能量。此外，棉花纖維素納米纖維在拔出和脫粘的過程中會與周圍的三維結構摩擦，較好地吸收了斷層釋放的能量。

就對照組而言，未加入棉花纖維素納米纖維交織層的碳纖維復合材料試樣斷層表現較為平整，內部空間僅有少量纖維路徑，說明在對照組斷層斷裂過程中，能量得到充分釋放，裂縫蔓延過程僅受到基體自身結構的阻礙。這一結論表明，對照組碳纖維復合材料試樣層間斷裂韌性較弱。這一結論也從側面證明，棉花纖維素納米纖維交織能顯著增強碳纖維復合材料試樣的層間斷裂韌性。

3 結語

本研究將棉花纖維素納米纖維交織加入碳纖維復合材料層壓板中，與原始碳纖維層壓板做斷裂增韌對比，探究棉花纖維素納米纖維交織層增強碳纖維復合材料層間斷裂韌性的效果。最終得出結論：第一，棉花纖維素納米纖維交織增強碳纖維復合材料層間斷裂韌性的效果顯著。相比于未加入棉花纖維素納米纖維交織的碳纖維復合材料對照組，實驗組碳纖維復合材料的I型層間斷裂韌性增強效果明顯。第二，在實驗過程中，觀察到實驗組試樣在裂紋尖端有纖維橋接現象，這一構造能增強試樣的層間斷裂韌性，這一結論也與學界多數研究吻合。第三，分析碳纖維復合材料層間斷裂面形貌發現，在斷裂的裂紋擴張過程中，棉花纖維素納米纖維的交織結構使層面產生纖維脫粘和拔出現象，斷裂面形變過程中的多數能量被吸收，斷裂趨勢得以抑制，層間斷裂韌性得到顯著增強。