阻燃环氧树脂与玻璃纤维复合材料的协同优化：从预浸料加工到火灾后结构完整性的多尺度调控

这篇研究通过预浸料工艺将两种磷系阻燃剂（APP/InSi和AldietPO2/ZHS）分别导入DGEBA和环氧酚醛（EP novolac）树脂体系，系统评估了其在玻璃纤维增强复合材料（GFRCs）中的阻燃效率转移机制。创新性地揭示了阻燃剂在凝聚相（CP）和气相（GP）的作用模式差异，发现环氧酚醛基体与AldietPO2/ZHS组合可同步实现最优防火安全指数（FSI=2 kWm-2s）和火灾后弯曲模量保留率（16%），为航空、轨道交通等领域防火结构材料设计提供新范式。

　　

【材料体系设计】

研究选取双酚A二缩水甘油醚（DGEBA）和环氧酚醛（EP novolac）两种树脂基体，分别负载30wt%的两种磷系阻燃体系：聚磷酸铵/无机硅酸盐（APP/InSi，24:6）和二乙基次膦酸铝/羟基锡酸锌（AldietPO2/ZHS，24:6）。通过预浸料工艺制备双向玻璃纤维复合材料（BD GFRCs），纤维体积含量控制在55%-75%。EP novolac因其更高的芳香性和交联密度，展现出比DGEBA更优的本征阻燃性。

【加工特性解析】

流变测试显示AldietPO2/ZHS在50-120°C出现显著粘度平台，源于10μm级颗粒形成的瞬态网络结构，这种界面效应使其在纤维束界面富集（SEM证实）。差示扫描量热（DSC）揭示AldietPO2在120°C初始分解产生的酸性产物会延缓胺类固化反应，需将固化阶梯温度提高10°C补偿。动态热机械分析（DMTA）测得含AldietPO2体系的玻璃化转变温度（T_g）降低18°C，但EP novolac复合材料仍保持3.5GPa的高储能模量。

【阻燃机制创新】

锥形量热测试表明，APP/InSi在DGEBA中主要通过凝聚相成炭（CP）发挥作用，使热释放速率峰值（pHRR）降低40%；而AldietPO2/ZHS在EP novolac中展现GP/CP协同效应，通过释放PO₂^•自由基淬灭火焰，同时形成致密金属磷酸盐残炭。EP novolac/AldietPO2/ZHS复合材料获得最佳防火安全指数（THR=29 MJm^-2，FGI=2 kWm^-2s），比未改性体系提升300%。

【火灾后力学重构】

三点弯曲测试结合XCT分析揭示：APP/InSi在EP novolac中形成厚度达1.2mm的膨胀炭层，虽提高残炭率但导致孔隙率上升（>50%），使火灾后弯曲模量保留率仅15%；而AldietPO2/ZHS通过界面沉积的Zn-Sn-P氧化物形成连续致密保护层，使EP novolac复合材料获得16%的模量保留率和4.6%强度保留率。建立的改进三区域模型（R²>0.92）成功预测了梯度损伤区的力学贡献。

【理论模型优化】

研究创新性地将Mori-Tanaka混合律与损伤参数R（0.15-0.35）结合，通过校准部分损伤区贡献系数α_rII（0.4-0.7），使理论预测与实验值的相关性提高至Pearson系数0.95。该模型证实纤维-基体界面处的阻燃剂定位（如AldietPO2/ZHS）比树脂富集区分布（如APP/InSi）更能维持火灾后层间剪切强度。

【应用前景展望】

这项工作为航空航天复合材料提供新型阻燃设计策略：EP novolac/AldietPO2/ZHS体系兼具加工可行性（粘度窗口10-50,000 mPa·s）、UL-94 V-0级阻燃和火灾后结构完整性。未来可通过机器学习优化阻燃剂的空间分布，实现残炭结构与力学性能的精准调控。