电纺TPU纳米纤维膜厚度与层间位置优化提升CFRP层合板层间性能与抗冲击性研究

为解决碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料层间断裂韧性差和低速冲击抗性不足的问题，研究人员通过电纺热塑性聚氨酯(TPU)纳米纤维膜作为层间增韧剂，系统研究了不同厚度(10/30/50?μm)和插入位置对层压板性能的影响。结果表明50?μm TPU膜使I型/II型层间断裂韧性分别提升70.6%/32.4%，全层增韧构型可减少53.6%分层面积并提高17.7%残余压缩强度，为航空航天领域复合材料优化提供新策略。

　　

碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料虽具备优异的面内力学性能，却因树脂富集层间区域存在固有缺陷——层间断裂韧性和低速冲击抗性显著不足。针对这一瓶颈，科学家们创新性地采用电纺热塑性聚氨酯(TPU)纳米纤维膜作为层间增韧剂，通过精密调控TPU膜厚度(10/30/50?μm)和空间排布方式(全层/顶部/中部/底部)，系统评估了其对复合材料关键性能的影响机制。

研究揭示当TPU膜厚度增至50?μm时，I型层间断裂韧性获得70.6%的显著提升，II型韧性亦提高32.4%。这种增强效应源于TPU在固化过程中的独特行为：既能熔融渗透与环氧树脂形成互穿网络，强化树脂-纤维界面结合；又能在裂纹扩展时通过TPU-树脂混合物的塑性变形耗散能量。但需注意过厚的TPU膜(50?μm)会因阻碍纤维桥接作用导致弯曲强度下降14.6%。

在抗冲击性能方面，全层增韧构型展现出最优异的损伤阻抗——与未改性层压板相比，分层面积锐减53.6%，残余压缩强度提升17.7%。特别值得注意的是，中层和顶部区域增韧效果明显优于底部，这突显了层间位置策略的重要性。该研究为航空航天和汽车领域轻量化复合材料的结构优化提供了可规模化实施的解决方案，通过精准调控纳米纤维膜的厚度与空间构型，可实现层间力学性能与抗冲击性的协同提升。