【复材资讯】超声振动促进基体活性提高CFRP性能

利用超声振动促进聚合物基体活性

提高碳纤维增强复合材料性能

前言

碳纤维增强复合材料（CFRP）具有较高的强度和弹性模量，以及良好的抗压稳定性和设计性能。在航空航天、军用、风电设备和高档民用产品领域具有广泛的应用前景。CFRP由碳纤维作为增强体，聚合物作为基体而组成。目前，CFRP的实际强度与理论计算之间仍然存在着很大的差距，解决这一问题的关键是合理优化界面。界面是复合材料的一种特殊成分，它与基体和增强体之间载荷的有效传递和分散有关，从而决定了复合材料的强度和韧性。其中聚合物基体对界面起着至关重要的作用。界面处聚合物链的构象和活性会影响界面相中聚合物的结晶度和形貌，进而影响结合能，决定着界面质量。

超声辅助增材制造（AM）技术可以增加层间基体分子链之间的摩擦力，通过功热转换增强层间的渗透和扩散，从而提高层间基体之间的界面性能.此外，该技术还可以影响聚合物的构象和活性，促进聚合物与纤维束之间的渗透和相互作用，最终增强CFRP的性能。

润湿脊形态学实验

本文用1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐液滴处理的聚丙交酯（PLA）薄膜进行实验。如图 1 中的原子力显微镜 （AFM） 拓扑迹线所示，脊深度随时间增加。图b表示不同超声功率下润湿脊深度随放置时间的变化。由于深度对超声波功率敏感，超声波振动缩短了深度到达最高点的时间。如图c 所示，平台的开始反映了弛豫时间 （τe），之后拓扑链纠缠阻止了进一步的蠕变，呈现出一个高度恒定的平台区。

分子链弛豫动力学

为了阐明超声振动对表面活性影响的分子机理，本文对具有不同初始速度的PLA分子链进行了分子动力学模拟，以表示超声振动功率。

PLA分子链对分子链的初始速度表现出明显的依赖性。如图b所示，弛豫时间 τe随着初始速度的增加而缩短，表明表面松弛过程增强。图c表明，聚合物中不同部位的均方位移（MSD）和扩散系数存在明显差异，但与初始速度一致。表面链的MSD和扩散系数最大，代表最大的扩散能力，然后向样品内部逐渐减弱，呈现自上而下逐渐松弛的趋势。

基于润湿脊的寿命和分子链的动力学特性，可以发现超声振动可以通过链段动力学和链构象的叠加梯度显著提高分子链的表面活性。

超声波振动通过向分子链传递能量来增强分子链在表面的迁移率，从而加速分子链的链段动力学和构象演化。这使得它们能够顺利突破分子间相互作用的约束，加速松弛-蠕变变形-解缠过程，释放未扭曲的分子链，从而提高聚合物链在表面的迁移率和活性。此外，PLA分子量随超声功率的变化也证实了超声振动不会通过破坏分子结构来影响活性。

力学性能测试

PLA活性的增强必将促进PLA分子与碳纤维之间的渗透和相互作用，进一步促进CFRP的界面附着力和整体性能。上图显示了PLA与碳纤维的界面剪切强度（IFSS）以及不同超声振动功率下制备试样的拉伸强度。如图 a所示，在30W超声振动下处理的试样IFSS达到26.41 MPa，比纯试样高82.89%。图b说明超声振动增强了CFRP的拉伸强度。CFRP在30 W超声振动下的抗拉强度达到173.09 MPa，比未处理试件提高了10.73%，与润湿脊结果一致。

结论

本文从实验和理论上探讨了超声振动对PLA基体活性的影响，以及由此产生的 CFRP界面和力学性能的变化。超声振动处理后PLA薄膜的润湿脊表明其活性显著增强。MD模拟表明，超声振动可以显著提高分子链的表面活性，因为超声振动在链段动力学和链构象中具有叠加梯度。

超声振动加速了分子链的动力学和构象演化，加速了松弛-蠕变变形-解缠过程，使未扭曲的分子链游离。流动性和活性的提高不可避免地促进了聚合物与纤维束之间的渗透和相互作用，并进一步增强了CFRP的界面和整体性能。30W超声振动处理试件的IFSS和抗拉强度分别达到26.41 MPa和173.09 MPa，比未处理试件提高了82.89%和10.73%，这与润湿脊结果相吻合，验证了超声振动可以通过促进基体分子活性提高CFRP性能。

参考文献

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来源：复材邦

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