CNT树脂基复合材料断裂韧性的优化设计
收稿日期: 2023-05-08
修回日期: 2023-06-02
录用日期: 2023-07-11
网络出版日期: 2023-07-14
基金资助
国家资助博士后研究人员计划(GZC20232263);国家自然科学基金青年科学基金(52305165)
Optimal design of fracture toughness for CNT⁃epoxy composites
Received date: 2023-05-08
Revised date: 2023-06-02
Accepted date: 2023-07-11
Online published: 2023-07-14
Supported by
Postdoctoral Fellowship Program of CPSF(GZC20232263);Young Scientist Fund of National Natural Science Foundation of China(52305165)
与碳纤维相比，碳纳米管（CNT）具有更高的力学性能和更低的密度，是理想的树脂基复合材料增强相，在航空航天领域具有广阔应用前景。提出一套CNT树脂基复合材料单边缺口弯曲（SENB）试件制备工艺以及微纳观结构和参数的测量方法。采用不同长度的多壁碳纳米管和不同时长的臭氧处理，制备出SENB试件进行断裂韧性实验，定量分析微纳观参数界面长度和C—C键密度对宏观断裂韧性的影响，提出断裂韧性优化方案。研究结果表明：界面C—C键密度和臭氧处理时间呈线性关系；相对增韧率随着臭氧处理时间先大幅增加后大幅下降，即存在临界界面C—C键密度使得复合材料的相对增韧率最大；弱界面的相对增韧率随着界面长度先大幅增加后略微下降；强界面的相对增韧率随着界面长度先大幅增加后大幅下降；当断面的CNT拔出和拔断的占比相近（即复合材料失效形式从CNT拔出转变为拔断）时断裂韧性最大。
贾文斌 , 方磊 , 张根 , 史剑 , 何泽侃 , 宣海军 . CNT树脂基复合材料断裂韧性的优化设计[J]. 航空学报, 2024 , 45(7) : 428971 -428971 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2023.28971
Compared with carbon fiber， Carbon Nanotube （CNT） is the ideal reinforcement phase for the epoxy composites，which has higher mechanical properties and lower density and， the great potential application in the aerospace field. A processing scheme was proposed for the CNT-epoxy Single-Edge Notched Bend （SENB） specimens， and the measuring methods of microscopic structure and parameters were proposed. The fracture toughness tests were conducted on the SENB specimens with different MWCNT lengths and oxidation times. The effects of the interfacial length and interfacial C—C bond density on the fracture toughness were quantitatively analyzed， and the fracture toughness optimization scheme was proposed. The experimental results show that： the interfacial C—C bond density and ozone oxidation time of CNTs show linear relationship； the relative fracture toughness enhancement rate increases rapidly with the increase of the ozone oxidation time， and then decreases dramatically. This means that there exists a critical interfacial C—C bond density， where the relative fracture toughness enhancement rate reaches maximum； for the weak interface， the relative fracture toughness enhancement rate increases rapidly with the increase of the interfacial length， and then decreases slightly； for the strong interface， the relative fracture toughness enhancement rate increases rapidly with the increase of the interfacial length， and then decreases dramatically； the fracture toughness reaches maximum， when the amounts of CNT pullout and CNT fracture are approximately equal，which means that the fracture toughness reaches maximum under the transition condition of the failure mode from the CNT pullout to CNT fracture.
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