硅烷偶联剂改性氢氧化铝增强玻璃纤维/环氧树脂复合材料的低速冲击性能研究

为解决传统玻璃纤维/环氧树脂(GFRC)复合材料在冲击载荷下性能不足的问题，研究人员通过硅烷偶联剂Dynasylan? Glymo(DG)处理氢氧化铝(Al(OH)3)填料，系统研究了填料含量(0-15 wt%)对复合材料低速冲击性能的影响。结果表明，10% DG处理填料使Charpy冲击强度提升112%(110.75 kJ/m2 vs 52.21 kJ/m2)，落锤冲击峰值力达2030 N，验证了界面增强机制。该研究为开发轻量化抗冲击复合材料提供了新策略。

　　

在追求轻量化高性能材料的时代背景下，聚合物基复合材料(PMCs)因其优异的强度重量比和可设计性，正逐步取代传统金属材料。其中，玻璃纤维增强环氧树脂(GFRC)复合材料凭借出色的机械性能和成本效益，广泛应用于交通运输、建筑和医疗领域。然而，这类材料在遭遇突发冲击载荷时，常因基体脆性和界面粘附不足导致分层破坏，严重制约其在安全关键场景的应用。如何通过简单有效的改性手段提升GFRC的抗冲击性能，成为材料科学家亟待解决的难题。

针对这一挑战，巴基斯坦国立纺织大学国家复合材料中心的研究团队创新性地将无机填料改性技术与复合材料设计相结合，系统研究了硅烷偶联剂处理的氢氧化铝(Al(OH)₃)填料对GFRC低速冲击性能的增强机制。相关成果发表在《Heliyon》期刊上，为开发新一代抗冲击复合材料提供了重要理论依据和实践指导。

研究团队采用三步法制备复合材料：首先用1 wt%的Dynasylan? Glymo(DG)硅烷偶联剂处理Al(OH)₃纳米颗粒(80-200 nm)，通过超声分散将填料均匀分布于环氧树脂，最后采用手糊-模压工艺制备[0/90]₈铺层的玻璃纤维增强复合材料。通过Charpy冲击测试(ISO 179-2)和落锤冲击测试(ASTM D-7136)系统评价了填料含量(0-15 wt%)及硅烷处理对材料抗冲击性能的影响。

Charpy冲击行为
研究发现，10% DG处理填料(D10)表现出最优异的性能，冲击强度达110.75 kJ/m²，较未填充样品(NN)提升112%。力-时间曲线分析显示，D10的惯性峰力(F₁)显著提高，断裂时间(t_B)延长，表明填料有效延缓了裂纹扩展。断面形貌观察证实，硅烷处理改善了填料-基体界面，减少了分层破坏。但15%填料(D15)因团聚效应导致性能下降，凸显填料分散的关键作用。

落锤冲击响应
在30 J冲击能量下，D10样品展现出2030 N的峰值载荷，较对照组提高86%。力-位移曲线显示，DG处理样品具有更平缓的力衰减斜率，表明能量吸收机制从脆性断裂向准塑性转变。显微分析发现，改性填料通过诱发微裂纹偏转和纤维桥联，显著降低了主裂纹扩展速率，使损伤区域缩小40%。

这项研究通过多尺度表征揭示了硅烷偶联剂的界面增强机制：DG分子中的环氧基团与树脂形成共价交联，而硅醇基则通过水解缩合与Al(OH)₃表面羟基键合，构建了"填料-偶联剂-基体"的强界面体系。这种设计使复合材料在保持轻量化优势的同时，冲击性能获得显著提升，特别适用于行李箱、运动器材等需要抗冲击性的应用场景。

研究结论强调，10 wt% DG处理Al(OH)₃填料是实现性能优化的关键平衡点，过高的填料含量(15 wt%)反而会因团聚效应削弱增强效果。该工作不仅为GFRC的冲击改性提供了可量化的工艺窗口，其"界面工程"策略还可推广至其他填料-聚合物体系，对推动复合材料在极端载荷条件下的应用具有重要指导意义。