多尺度增韧机制提升碳纤维/环氧树脂/核壳橡胶复合材料的层间断裂韧性

本研究针对碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料在极端服役环境下层间断裂韧性不足的问题，通过引入短碳纤维（SCF）、核壳橡胶（CSR）及羧基化多壁碳纳米管（MWCNTs-COOH）实现多尺度协同增韧。结果表明，SCF与CSR共同作用显著提升韧性，而SCF接枝MWCNTs-COOH的CFRP（iv）材料其GIC和GIIC较CFRP（iii）分别提高12.89%和15.46%，机制涉及机械互锁增强界面结合与纤维桥联效应，为耐损伤CFRP设计提供新范式。

　　

碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymers, CFRP）复合材料因其卓越的力学性能，广泛应用于航空航天、交通运输、新能源与电力基础设施等关键领域。然而，在日益严苛的服役环境下，提升CFRP复合材料的层间断裂韧性成为保障结构完整性与耐久性的核心挑战。本研究提出一种多尺度增强策略，通过整合短碳纤维（Short Carbon Fibers, SCF）、核壳橡胶（Core-Shell Rubber, CSR）及羧基化多壁碳纳米管（Carboxylated Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWCNTs-COOH）协同优化碳纤维/环氧树脂/核壳橡胶复合材料的性能。系统分析表明：单独添加SCF或CSR均能显著提升韧性；同时引入SCF与CSR的CFRP（iii）表现出更强增韧效果；而将MWCNTs-COOH接枝至SCF形成的CFRP（iv）材料则展现出最优异的层间断裂韧性，其G_IC与G_IIC较CFRP（iii）分别提高12.89%和15.46%。该增强机制归因于MWCNTs-COOH与基体间的机械互锁作用强化界面结合，进而促进纤维桥联效应与核壳橡胶增韧行为的协同发挥。这一多尺度增强范式为面向极端工况的耐损伤CFRP复合材料设计提供了关键见解，推动其在承受复杂力学载荷的新一代工程系统中的部署应用。