【摘 要】
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高性能的碳纤维环氧树脂（CF/EP）复合材料一直是高分子领域的重点研究工作。但是,因EP的脆性会导致复合材料裂纹的产生和分层现象,而CF表面往往又表现出较高的化学惰性,致使不良的界面应力从基质转移到纤维,从而降低了复合材料的整体性能。因此,如何更好的提高碳纤维复合材料的层间断裂韧性成为人们共同关注的内容。为解决层间断裂韧性问题,本文采用液相沉积-空气氧化法制备了针状磁性羟基氧化铁（FeOOH）纳米
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（51763006）； 广西电子信息材料构效关系重点实验室开放研究基金（201018-K）； 广西自然科学基金创新团队项目（2019GXNSFGA245005）；
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高性能的碳纤维环氧树脂（CF/EP）复合材料一直是高分子领域的重点研究工作。但是,因EP的脆性会导致复合材料裂纹的产生和分层现象,而CF表面往往又表现出较高的化学惰性,致使不良的界面应力从基质转移到纤维,从而降低了复合材料的整体性能。因此,如何更好的提高碳纤维复合材料的层间断裂韧性成为人们共同关注的内容。为解决层间断裂韧性问题,本文采用液相沉积-空气氧化法制备了针状磁性羟基氧化铁（FeOOH）纳米粒子作为前驱体,主要内容包含三个部分,制备磁场取向FeOOH增强的CF/EP复合层压板;基于静电纺丝技术分别制备了FeOOH协同聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维插层增强CF/EP复合层压板;FeOOH混纺PVDF的静电纺丝插层膜增强的CF/EP复合层压板。利用万能拉伸试验机对复合层压板进行了双悬臂梁试验（DCB）和端部缺口弯曲试验（ENF）,研究了不同复合层压板的I型层间断裂韧性(GIC)和II型层间断裂韧性(GIIC),借助傅里叶红外光谱（FTIR）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、振动样品磁强计（VSM）、X射线衍射（XRD）以及拉伸试验机等对FeOOH微观形貌、静电纺丝纤维膜、复合层压板断裂面的微观形貌、粒子磁性、官能团变化、纤维膜成分、化学结构、力学性能等进行了研究。主要得出了以下结论:（1）磁场取向针状FeOOH增强碳纤维/环氧树脂层压板I型和II型层间断裂韧性的研究:将FeOOH粒子和磁场取向的MF-FeOOH粒子作为层间增韧纳米填料,通过浸渍的方式将纳米粒子的无水乙醇分散液负载至碳纤维表面,制备FeOOH/CF和MF-FeOOH/CF,将其作为CF/EP复合层压板的插层,研究了不同面密度（1.6 g/m2、2.4 g/m2、3.6 g/m2）的FeOOH/CF/EP和MF-FeOOH/CF/EP（2.4 g/m2）的增韧效果。结果表明:当面密度为2.4 g/m2,FeOOH/CF/EP增韧效果最佳,GIC比对照样（CF/EP）提高38%,GIIC提高76%,同时,磁场取向的MF-FeOOH/CF/EP的层间断裂韧性也同样得到提高,GIC比对照样提高62%,GIIC提高了106%,这主要归因于磁场取向后FeOOH较为规则的排列,FeOOH森林在层间形成大面积的钉扎结构,为提高层间断裂韧性做出了贡献。（2）FeOOH纳米粒子协同电纺纤维膜插层增强碳纤维复合材料层间断裂韧性的研究:利用静电纺丝技术制备聚偏氟乙烯（PVDF）纤维膜,将FeOOH的无水乙醇分散液借助喷涂的方式负载至碳纤表面,并制备了两种不同面密度（1g/m2、2g/m2）的FeOOH/CF,通过SEM观察到FeOOH在CF表面表现出了较均匀的分散。将FeOOH/CF与PVDF纳米纤维膜作为插层加入CF/EP,最终制备两种面密度的FeOOH&PVDF/CF/EP复合层压板。结果表明:与对照样相比,PVDF-CF/EP的GIC和GIIC只分别提高了70%和44%,而2g/m2的FeOOH&PVDF/CF/EP的增韧效果最佳,GIC比对照样提高118%,GIIC同样比对照样提高了97%。这主要归因于FeOOH的加入提高了基体的断裂韧性,同时也增强了与PVDF的界面作用,进而强化了PVDF的增韧行为。（3）混纺纳米纤维（FeOOH@PVDF）增强碳纤维复合材料断裂韧性的研究:利用静电纺丝技术将FeOOH与PVDF混合,制备不同含量（0.5wt%、1wt%、2wt%）的FeOOH@PVDF杂化纤维膜,通过SEM和TEM研究了FeOOH在PVDF表面的粗糙变化,并与PVDF纳米纤维膜进行了对比。将FeOOH@PVDF混纺纳米纤维膜其作为CF/EP层间插层,制备得到FeOOH@PVDF/CF/EP复合层压板,其中1wt%的FeOOH@PVDF/CF/EP的增韧效果最佳,GIC比对照样提高180%,GIIC提高了150%。这主要归因于FeOOH@PVDF混纺纤维粗糙的表面,其在复合层压板断裂过程中较PVDF表现出更为明显的剥离、桥接、拔断、应力应变等,从而吸收更多能量,最终对复合层压板的抗分层性产生了积极影响。
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