碳化硅纳米颗粒增强Kevlar-玻璃纤维杂化复合材料的界面粘附与力学性能研究

为解决纤维增强聚合物(FRP)复合材料界面粘附弱、力学性能不足的问题，研究人员通过掺入不同浓度(0%-5%)碳化硅(SiC)纳米颗粒，系统研究了Kevlar-玻璃纤维杂化环氧复合材料的性能优化。结果表明3% SiC使拉伸强度提升16%(151.53 MPa)、弯曲强度提升22%(168.09 MPa)、冲击强度翻倍(40 J)，SEM证实其通过改善纤维-基质界面实现性能突破，为航空航天等领域高性能复合材料设计提供新策略。

　　

在追求轻量化高性能材料的时代浪潮中，纤维增强聚合物(FRP)复合材料正面临关键瓶颈——脆性的玻璃纤维与韧性的Kevlar纤维虽性能互补，但界面结合弱、应力传递效率低，传统方法难以兼顾强度与韧性。更棘手的是，纳米填料添加常伴随团聚问题，犹如在微观尺度"埋下地雷"，导致材料性能不升反降。这一矛盾在航空航天、汽车制造等领域尤为突出，亟需找到能精准调控界面特性的"分子级粘合剂"。

针对这一挑战，库尔纳工程技术大学(Khulna University of Engineering & Technology)的研究团队独辟蹊径，选择具有高硬度、耐热性的碳化硅(SiC)纳米颗粒作为"界面建筑师"，通过系统调控其含量(0%-5%)，制备了具有GG-K-GG-K-GG层状结构的Kevlar-玻璃纤维杂化环氧复合材料。这项发表在《HydroResearch》的研究揭示：当SiC含量如"黄金比例"般控制在3%时，复合材料展现出惊人的协同效应——拉伸、弯曲、冲击三大性能指标同时突破峰值，且SEM图像中纤维与基质如"钢筋水泥"般紧密咬合，完美诠释了"少则不足，多则过犹"的纳米增强哲学。

研究采用四大关键技术：手工铺层法制备层状复合材料，超声分散确保SiC均匀分布；通过拉伸(ISO 527)、三点弯曲(ISO 14125)和夏比冲击(ASTM D6110)测试力学性能；利用扫描电镜(SEM)解析微观结构；参照ASTM D570和D5229标准进行吸水和膨胀测试。

物理性能分析

密度测试显示SiC添加使材料体积膨胀，5%样品密度最低(1312.38 kg/m³)。吸水率和厚度膨胀率随SiC增加呈线性上升，5%样品吸水达4.84%，印证纳米颗粒在提升力学性能时需权衡环境稳定性。SEM显示3% SiC样品界面最为致密，而5%样品出现团聚导致的微孔洞。

力学性能突破

3% SiC组展现全面优势：拉伸强度达151.53 MPa，比基线提升16%；弯曲强度168.09 MPa创纪录；冲击能量吸收能力翻倍至40 J。硬度测试中5% SiC样品虽获最高值(95.21 Shore D)，但力学性能已开始回落，揭示表面硬度与整体性能的非同步性。

断口形貌解密

SEM图像生动记录失效机制演变：0%样品呈现大面积纤维拔脱；3%样品断口出现"河流纹"和剪切脊，显示裂纹扩展受阻；5%样品则因团聚体成为应力集中源，引发脆性断裂。这种"结构决定失效"的规律，为优化设计提供直观依据。

该研究通过精准的"纳米尺度工程"，证明3% SiC是Kevlar-玻璃纤维复合材料的性能临界点：其既能通过增加界面粗糙度促进机械互锁，又不会因过量引入应力集中缺陷。这一发现不仅为解决FRP复合材料"强韧不可兼得"的经典难题提供新方案，更建立了纳米填料含量-界面特性-宏观性能的定量关系模型。特别值得注意的是，相比昂贵的碳纳米管或石墨烯，SiC纳米颗粒具有显著成本优势，这对推动高性能复合材料在风电叶片、汽车防撞结构等大规模应用具有重要意义。未来研究可进一步探索SiC表面改性对界面化学键合的促进作用，或将为材料性能带来新的飞跃。