通过玄武岩纤维复合材料夹层中的声共振混合技术，均匀制备出分散的微/纳米芳纶纤维网络：这显著提升了层间韧性

《Composites Communications》：Engineering uniformly dispersed micro/nano aramid fiber networks via acoustic resonance mixing at the interlayers of basalt fiber composites: A significant leap in interlaminar toughness

本研究采用声学共振混合技术，成功将高聚合微纳米芳纶纤维均匀分散于环氧树脂基体中，并构建了层间均匀的纤维网络。三点弯曲试验表明，纵向和横向样品的弯曲强度分别提高30.4%和50%，弹性模量提升25.3%和152.4%，吸能能力分别增加46.3%和36.3%。实验证明该技术通过均匀分散增强界面机械互锁，显著改善层间抗剥离性能，为复合材料改性提供新途径。

　　本研究探讨了通过声共振混合技术实现高聚合度的微纳米芳纶纤维在环氧树脂基体中的均匀分散，并成功构建了在单向玄武岩纤维复合材料层间均匀分布的微纳米芳纶纤维网络。为了全面评估所制备样品的力学性能，研究采用了三点弯曲试验，分别从纵向和横向两个方向进行系统分析。在声共振混合时间为10分钟，振动参数为60Hz-4mm的条件下，纵向和横向样品的弯曲性能均优于对照组，其中弯曲强度分别提高了30.4%和50%，弹性模量分别提升了25.3%和152.4%。同时，能量吸收能力也分别增加了46.3%和36.3%。实验结果表明，声共振混合技术在提升复合材料的弯曲性能方面具有显著效果，这主要归因于其能够实现微纳米芳纶纤维在环氧树脂基体中的均匀分布，从而在复合结构的层间构建出高效的纤维网络。此外，微纳米芳纶纤维通过环氧树脂基体的桥接作用，有效增强了复合材料的抗分层性能和层间强度。

单向玄武岩纤维增强聚合物复合材料（UD-BFRP）因其优异的力学性能和耐高温、抗冲击等特性，在航空航天、汽车制造和船舶建造等多个领域得到了广泛应用。然而，这类复合材料在实际应用中仍面临一些关键挑战，尤其是在层间性能方面。通常情况下，UD-BFRP层合板的层间强度和韧性不足，这成为制约其性能提升的重要因素。层间强度的不足容易导致材料在受到外部载荷或冲击时发生分层，从而降低整体结构的可靠性和耐久性。此外，由于在横向方向缺乏有效的增强机制，材料在受到横向载荷时更容易发生早期失效。为了解决这一问题，一些研究尝试采用缝合技术和Z型针刺技术来抑制分层损伤，这些方法虽然在一定程度上提高了材料的层间性能，但同时也对连续玄武岩纤维的排列方向造成了影响，进而导致材料强度和刚度的下降。而且，这些传统的增强方法在实际应用中往往难以大规模推广，限制了其在复合材料成型行业中的应用。

近年来，研究者们发现引入微纳米填料可以有效提升复合材料的层间性能。这些填料主要包括无机类（如二氧化硅、氧化铝、碳纳米管（CNTs）、粘土等）和有机类（如橡胶、纳米纤维、纤维素纳米晶、晶须等）两类。Soliman等人发现，多壁碳纳米管（MWCNTs）对碳纤维增强复合材料（CFRP）的拉伸强度和界面剪切强度具有显著影响。Rawat等人研究了在CFRP中添加0.25 wt% MWCNTs的效果，结果显示其能量吸收能力比纯CFRP提高了18.03%。Phonthammachai使用了0.6 vol%的硅烷化粘土作为填料，发现其显著改善了CFRP的机械性能，包括储能模量、弯曲模量、拉伸模量和I型层间断裂韧性分别提高了40%、24%、16%和14%。Chowdhury等人研究了在CFRP中添加2 wt%纳米粘土的效果，发现其提高了复合材料的弯曲和热机械性能。Yang等人通过在BFRP层之间增加AP纤维含量，改善了脆性环氧树脂粘结层的性能，避免了在低外部载荷下产生裂纹，并加强了层间机械互锁，从而防止裂纹在层间传播。

微纳米芳纶纤维浆料（AP）因其出色的机械性能、耐热性和抗冲击性，被广泛应用于高性能复合材料中。Wang等人研究了不同夹层材料下HFRP的冲击性能和层间失效模式，发现添加AP能够有效提升HFRP的冲击刚度、最大载荷和冲击响应时间。Cheng等人在CFRP层合板中构建了一种超薄的AP夹层，结果显示，经过12.35 J冲击后的CFRP试样，其压缩强度提升了90%。Ye等人则利用微纳米芳纶纤维（AP）增强了CF/PEEK复合材料的层间韧性，发现其压缩强度提升了41%，冲击后弯曲强度（FAI）增加了19%，同时背面分层面积减少了51%。Yang等人将AP纤维引入BFRP中，形成了层间互锁结构，从而改善了脆性环氧树脂粘结层的性能，有效防止了在低外部载荷下的裂纹形成，使得BFRP的平均弯曲强度达到315.75 MPa，平均弹性模量达到21.38 GPa。在这些研究中，研究者普遍认为，通过增加AP的含量可以提升复合材料的层间性能，然而，随着AP含量的增加，其在基体中的聚集程度也会显著上升，导致分散效果不佳。这种强烈的聚集现象不仅影响了复合材料的均匀性，还可能削弱其整体的韧性表现。

实际上，AP在环氧树脂中的分散状态对复合材料的最终性能起着更为关键的作用。在某些情况下，即使AP含量较低，如果能够实现其在基体中的均匀分布，也可以获得与高含量AP样品相当的性能表现。因此，研究团队提出了一个假设：通过声共振混合技术实现低含量AP在环氧树脂基体中的均匀分散，可以达到与高含量AP样品相似的性能提升效果。声共振混合技术作为一种新兴的分散技术，因其独特的分散机制在微纳米材料的分散领域展现出巨大的潜力。该技术利用特定频率和振幅的振动，有效克服了传统分散方法（如刮刀搅拌）的局限性。传统方法在处理高度聚集的微纳米纤维时，往往难以实现理想的分散效果，甚至可能加剧纤维的聚集现象，从而对复合材料的均匀性和韧性产生不利影响。

为了验证这一假设，研究团队采用声共振混合技术对纤维/环氧树脂混合物进行了处理，并通过调控声共振混合的工艺参数，制备了一系列AP-UD-BFRP样品，其AP含量相对较低。随后，通过三点弯曲试验对样品的力学性能进行了系统分析。同时，研究还使用光学显微镜对复合材料的内部微观结构进行了观察，并深入分析了UD-BFRP纤维与环氧树脂之间的界面结合状态，以探讨声共振混合技术如何提升层间韧性性能。实验结果表明，与刮刀搅拌技术相比，声共振混合技术在纤维分散效果方面具有明显优势。均匀分散的AP不仅提升了UD-BFRP层合板的机械互锁性能，还显著增强了其整体的力学性能。

在实际应用中，如何有效提升复合材料的层间性能一直是研究的重点之一。传统的增强方法虽然在一定程度上能够改善层间性能，但其对纤维排列的影响以及实施难度限制了其广泛应用。相比之下，声共振混合技术提供了一种更为温和且高效的分散方式，能够在不破坏纤维原有结构的前提下，实现AP在环氧树脂基体中的均匀分布。这一技术不仅能够显著提升复合材料的弯曲性能，还能够改善其抗分层能力，从而增强整体结构的可靠性。此外，由于声共振混合技术的操作条件相对温和，其在工业化生产中的应用潜力也十分广阔。

从材料科学的角度来看，层间性能的提升对于复合材料的整体性能至关重要。层间强度的增强可以有效防止材料在受到冲击或外部载荷时发生分层，从而延长其使用寿命。同时，良好的层间韧性还能提高材料在复杂载荷条件下的适应能力，使其在航空航天、汽车制造等高要求领域中具备更强的竞争力。因此，探索更为有效的层间增强方法，不仅有助于提升复合材料的性能，也为相关行业提供了新的技术路径。声共振混合技术作为一种新型的分散手段，为实现低含量AP的均匀分散提供了可行的解决方案，这在一定程度上克服了传统方法的局限性。

在本研究中，通过声共振混合技术实现了AP在环氧树脂基体中的均匀分散，并成功构建了在UD-BFRP层间均匀分布的AP纤维网络。实验结果表明，声共振混合技术在纤维分散效果方面具有显著优势，能够有效减少AP的聚集现象，提升其在基体中的分布均匀性。这种均匀的分布不仅改善了复合材料的力学性能，还增强了其抗分层能力，从而显著提升了整体的结构性能。此外，研究还通过三点弯曲试验对样品的纵向和横向性能进行了系统分析，结果显示，在声共振混合时间为10分钟、振动参数为60Hz-4mm的条件下，AP-UD-BFRP样品的弯曲强度和弹性模量均显著优于对照组。这一发现进一步验证了声共振混合技术在提升复合材料层间性能方面的有效性。

从实验结果来看，声共振混合技术不仅能够实现AP在环氧树脂基体中的均匀分散，还能在不显著改变纤维排列方向的前提下，有效提升复合材料的性能。与传统的刮刀搅拌技术相比，声共振混合技术在纤维分散效果方面具有明显优势，其能够克服高聚集微纳米纤维在分散过程中的难题，实现更理想的分散状态。这一技术的应用为复合材料的层间增强提供了新的思路，同时也为相关领域的研究和应用开辟了新的方向。通过声共振混合技术，可以实现低含量AP的均匀分散，从而在不增加材料成本的情况下，显著提升复合材料的性能表现。

此外，研究还发现，AP在环氧树脂中的分散状态对复合材料的最终性能起着决定性作用。在某些情况下，即使AP含量较低，只要能够实现其在基体中的均匀分布，就能获得与高含量AP样品相当的性能提升。因此，研究团队认为，通过优化声共振混合技术的工艺参数，可以在不增加AP含量的情况下，实现复合材料性能的显著提升。这一结论对于实际应用具有重要意义，因为这意味着在不增加材料成本的前提下，可以通过改进分散技术来提升复合材料的性能。同时，这一研究也为未来探索其他微纳米填料在复合材料中的应用提供了参考。

综上所述，本研究通过声共振混合技术实现了AP在环氧树脂基体中的均匀分散，并成功构建了在UD-BFRP层间均匀分布的AP纤维网络。实验结果表明，声共振混合技术在提升复合材料的层间性能方面具有显著优势，能够有效减少AP的聚集现象，提高其在基体中的分布均匀性。这种均匀的分布不仅改善了复合材料的力学性能，还增强了其抗分层能力，从而显著提升了整体的结构性能。同时，研究还发现，AP在环氧树脂中的分散状态对复合材料的最终性能起着决定性作用，因此，通过优化分散技术，可以在不增加AP含量的情况下，实现复合材料性能的显著提升。这一研究为未来探索其他微纳米填料在复合材料中的应用提供了参考，同时也为相关领域的研究和应用开辟了新的方向。