石墨烯掺杂聚合物复合材料的能量耗散机制：从微观界面滑移到宏观阻尼性能优化

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Energy dissipation mechanisms in graphene-doped polymer composites

本研究针对高聚物纳米复合材料及碳纤维增强聚合物（CFRP）的阻尼性能优化难题，系统探讨了石墨烯纳米片（GNPs）掺杂引发的多种能量耗散机制。通过结合微观结构表征、振动实验测试和修正的剪切滞后模型，研究揭示了界面滑移（stick-slip）、GNPs层间摩擦、机械互锁等关键机制在不同GNP含量下的协同作用规律，并确定了使阻尼性能最大化的最佳GNP浓度窗口，为高性能阻尼材料的设计提供了重要理论依据和实践指导。

　　

在现代工程材料领域，复合材料的阻尼性能——即材料吸收振动能量并将其转化为热能的能力——直接关系到结构的稳定性、舒适性和耐久性。无论是航空航天器的轻质结构，还是精密仪器设备的减振平台，对高性能阻尼材料的需求都日益迫切。传统的聚合物材料虽然具有一定的粘弹性阻尼能力，但其性能往往难以满足高端应用的要求。近年来，纳米技术的兴起为材料改性带来了新的机遇，其中，石墨烯纳米片（Graphene Nanoplatelets, GNPs）因其独特的二维结构、极高的比表面积和优异的力学性能，被视为提升复合材料阻尼性能的理想填料。然而，将GNPs掺入聚合物基体或碳纤维增强聚合物（Carbon Fibre Reinforced Polymers, CFRPs）中，其能量耗散的具体机制错综复杂，且GNPs的添加量存在一个“最佳点”，过多或过少都无法实现最优的阻尼效果。这背后的科学原理是什么？各种耗散机制是如何协同作用的？为了回答这些问题，希腊帕特拉斯大学的Ch.V. Katsiropoulos和C. Galiotis教授团队在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上发表了他们的最新研究成果。

为了深入探究这些问题，研究人员采用了一套多尺度、多方法的研究策略。首先，他们制备了不同GNP质量分数（wt.%）的环氧树脂纳米复合材料以及GNP掺杂的混合CFRP层合板。研究的核心技术方法包括：利用高分辨率序列块面扫描电子显微镜（Serial-block face SEM）对材料的微观形貌进行精细观察，直观揭示GNP在环氧树脂中的分散状态、团聚现象以及GNP与碳纤维（CF）之间的相互作用模式；通过自主设计的悬臂梁自由振动实验装置，依据ASTM E756-05标准精确测量了不同材料的阻尼比（ζ），该参数是评价材料阻尼性能的关键指标；此外，研究还采用了一种经过修正的微观力学模型——基于Cox剪切滞后理论（shear-lag theory）的模型，用于定量计算GNP/聚合物界面处的剪切应力（τ）和临界应变（ε_cr），从而为界面滑移（stick-slip）这一核心耗散机制提供数值证据。

3a. 微观结构研究

通过序列块面SEM观察，研究人员获得了GNP在环氧树脂基体中和覆盖在碳纤维表面的清晰图像。

分析表明，分散的GNPs平均横向尺寸约为3微米，厚度约3.4纳米，相当于10层石墨烯，这与供应商提供的数据一致。GNPs以随机取向（垂直、水平或任意角度）分布于环氧树脂中或附着于碳纤维表面。研究证实，当GNP浓度较高时，会发生明显的团聚现象，导致“近邻效应”，即相邻GNPs之间会相互扰动应力场，产生应力集中，从而影响能量耗散。

3b. 剪切应力评估

研究人员应用修正的剪切滞后模型，计算了不同GNP含量下复合材料界面处的剪切应力。模型的核心是评估引发界面滑移（stick-slip）所需的临界剪切应力（τ_cr）和临界应变（ε_cr）。

对于纯聚合物纳米复合材料，几乎所有GNP含量下的计算剪切应力都超过了设定的临界阈值（0.4 MPa），证明界面滑移机制在所有情况下均存在。同时，临界应变在低GNP含量时急剧下降，这与实验观察到的阻尼比在低浓度时出现峰值高度吻合，表明存在一个GNP有效影响阻尼性能的有限“窗口期”。对于混合CFRP材料，由于模型未考虑碳纤维的复杂影响，计算仅针对GNP/聚合物界面。结果显示，只有在高GNP含量下，剪切应力才超过临界值，这表明界面滑移机制在混合材料中的作用相对复杂，仅是部分贡献因素。

3c. 阻尼增强机制

阻尼性能的提升是多种机制共同作用的结果。对于聚合物纳米复合材料，主要的机制包括环氧树脂基体固有的粘弹性阻尼和GNP/树脂界面的摩擦剪切（stick-slip机制）。而对于混合CFRP，在极低GNP含量（如0.5 wt.%）下阻尼比的显著增加，暗示了另一种重要机制的存在：GNP与碳纤维之间的机械互锁（mechanical locking）。

SEM图像清晰地显示了GNP薄片（通常是垂直地）附着在碳纤维表面，这种强烈的机械相互作用在振动过程中会消耗能量。然而，当GNP含量增加到中等水平（如3 wt.%）时，团聚现象变得严重，完全填满了纤维间的树脂通道，显著改变了应力传递机制，对阻尼产生不利影响。

此外，研究还指出，GNP的加入会提高复合材料的刚度（如弯曲模量）。过高的刚度会限制聚合物基体的变形能力，从而削弱其固有的粘性阻尼，这也是高GNP含量下阻尼性能下降的原因之一。

2d. 阻尼比曲线上的机制演变

通过分析实验和计算得到的阻尼比曲线，研究人员将GNP含量划分为三个区间，每个区间主导的阻尼机制各不相同。

阶段I（低GNP浓度）： 阻尼比显著上升。基体粘弹性阻尼为主，初始添加的GNPs通过其层间摩擦（van der Waals力作用）和均匀分散带来的有效界面滑移增强阻尼。在CFRP中，GNP与CF的机械互锁开始贡献。

阶段II（中等GNP浓度）： 阻尼比达到峰值。最优的应力传递使GNP层间摩擦和GNP/环氧树脂界面滑移机制被充分激活。GNPs之间的协同作用（近邻效应）进一步强化了摩擦耗能。CFRP中的机械互锁持续作用。

阶段III（高GNP浓度）： 阻尼比下降并趋于平缓。GNP团聚减少了有效界面面积，层间摩擦被局限在团聚体内。团聚体作为刚性区域抑制了滑动。基体连续性被破坏，其固有粘弹性阻尼能力下降。界面滑移机制饱和。

结论与讨论

本研究通过微观结构观察、实验测试和理论建模相结合的方式，系统地揭示了GNP掺杂聚合物复合材料和混合CFRP中的能量耗散机制。研究结论表明，阻尼性能的增强是多种机制协同作用的结果，包括聚合物基体的固有粘弹性、GNP/树脂界面的滑移摩擦、GNP内部的层间滑动、以及混合材料中GNP与碳纤维的机械互锁等。这些机制的相对贡献随着GNP含量的变化而动态演变。

该研究的重要意义在于，它不仅定性且定量地证实了界面滑移等关键机制的存在，更重要的是明确了GNP含量对阻尼性能的非单调影响规律，指出了存在一个最佳的GNP浓度窗口。这为未来设计具有定制化阻尼性能的先进复合材料提供了关键的理论指导和实践依据。例如，在需要高阻尼的应用中，应优先考虑将GNP浓度控制在最佳范围内，以确保填料分散均匀并最大化界面效应。然而，本研究建立的模型框架主要关注GNP/聚合物界面，未充分考虑多重复合增强相（如碳纤维）之间的相互作用以及GNP层间的复杂耦合，这在一定程度上限制了模型的普适性和定量预测精度，这也是未来研究可以进一步深入的方向。