PAI纳米纤维层间增强技术，用于提升碳纤维/环氧树脂复合材料的冲击后压缩强度

《Composites Communications》：PAI nanofiber interlaminar toughening for enhanced compression-after-impact strength in CF/EP composites

碳纤维/环氧复合材料通过引入电纺聚酰胺-Imide纳米纤维膜实现界面增韧，显著提升抗冲击性能（损伤面积减少45.6%，CAI强度提高25.2%），同时保持或增强刚度（模量提升35.3%），克服传统增韧材料的刚度-韧性权衡问题。

　　

余明明|刘宇|马佳欣|唐建华|张欧生|王小蕾|谢旺|吴立辉|方琳|任慕苏|孙金良

复合材料研究中心，先进耐火材料国家重点实验室，上海大学，上海，200444，中国

摘要

碳纤维/环氧（CF/EP）复合材料因其高比强度和高刚性而被广泛应用于航空航天和交通运输领域，但其较差的层间韧性使其容易受到冲击引起的分层和冲击后压缩（CAI）强度损失的影响。在本研究中，引入了静电纺丝聚酰胺-酰亚胺（PAI）纳米纤维膜作为层间增韧剂，在固化过程中构建稳定的三维纤维网络，避免了相分离方法的加工敏感性。PAI纳米纤维膜的加入使层间I型断裂韧性和II型断裂韧性分别提高了37.8%和12.1%。机械测试显示储能模量增加了35.3%，弯曲强度提高了多达16.1%。此外，冲击阻力也得到了增强，损伤面积减少了45.6%，CAI强度提高了25.2%。这些综合改进归因于PAI纳米纤维网络提供的有效能量耗散机制（包括纤维桥接和裂纹偏转）以及改善的界面结合。这种策略为开发具有平衡性能的耐损伤CF/EP复合材料提供了一种简单而可靠的方法。

引言

碳纤维/环氧（CF/EP）复合材料因其出色的比强度、比模量和耐腐蚀性而在航空航天、汽车和国防领域得到广泛应用。然而，层间区域的固有弱点使得CF/EP复合材料在低速冲击（LVI）下极易受到内部损伤。即使只有微小的冲击损伤（BVID）发生，冲击后压缩（CAI）强度也会显著下降，从而威胁到结构完整性[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。

鉴于层间区域的局限性，提高CF/EP复合材料的层间性能已成为研究的重点。在各种策略中，静电纺丝纳米纤维膜的层间交错应用受到了特别关注，因为它是一种非常有前景的方法。静电纺丝纳米纤维具有极高的比表面积和相互连接的三维网络结构，不仅有助于树脂渗透和界面结合，还能有效构建阻碍微裂纹扩展的三维纤维网络[[8], [9], [10], [11], [12]]。

在这个框架下，基于热塑性纳米纤维的层间增韧方法大致可以分为两类。第一类以聚醚砜（PES）为代表，依靠固化过程中的原位溶解-相分离机制[[13], [14], [15], [16]]。然而，所得微观结构对固化条件和系统兼容性非常敏感，这带来了挑战。第二类以聚酰胺-66（PA66）为代表，通过纤维桥接和拔出等稳定物理机制来增强复合材料的韧性[[17], [18], [19], [20]]。然而，传统聚合物（尤其是低模量聚合物）的固有局限性限制了它们的应用潜力。这通常会导致刚度和韧性之间的权衡，为了提高韧性而牺牲了刚性，实现两者的协同增强仍然是一个长期存在的挑战[[21], [22], [23], [24], [25]]。

为了解决这一挑战，本研究首次尝试使用静电纺丝聚酰胺-酰亚胺（PAI）纳米纤维膜作为层间增韧剂[26]。作为一种高性能的热塑性聚合物，PAI具有优异的韧性和热稳定性，其玻璃化转变温度（T_g约为280?°C），确保了在150?°C固化过程中纳米纤维的形态完整性[27,28]。这使得能够构建一个形态稳定且可预测的增强网络，从根本上避免了与相分离策略相关的加工敏感性。更重要的是，PAI的固有机械性能[29]和潜在的界面相互作用为刚度和韧性的协同增强提供了巨大潜力。先前的研究已经证明了使用PAI作为复合膜增强剂的可行性[30]。

因此，本研究系统地研究了PAI纳米纤维膜厚度对CF/EP复合材料层间韧性和冲击阻力的影响。通过LVI和CAI测试评估了宏观性能，同时利用扫描电子显微镜（SEM）探讨了背后的增韧机制。与传统的静电纺丝热塑性纤维（例如PA66）不同，PAI纳米纤维可以在保持甚至提高结构刚性的同时增强冲击后压缩（CAI）强度，从而缓解了刚度和韧性之间的权衡。这项工作有望为开发具有更好耐损伤性能的下一代复合材料提供宝贵的设计思路和实验基础。

复合材料制备与表征

实验过程包括三个主要阶段：通过静电纺丝制备PAI纳米纤维膜，使用热压成型制备复合层压板，以及随后的表征。以下小节详细介绍了用于性能评估的原材料、工艺参数和测试标准。

结果与讨论

通过对PAI纳米纤维增强复合材料的微观结构和机械性能进行系统表征，评估了其性能。本节首先分析了静电纺丝膜的形态，然后评估了层间断裂韧性、增韧机制以及由此带来的静态机械性能和冲击阻力的提高。

结论

本研究通过集成静电纺丝PAI纳米纤维膜，为CF/EP复合材料建立了一种简单的层间增韧策略，实现了刚度和韧性之间的罕见协同效应。稳定的、不溶性的纳米纤维膜通过促进裂纹偏转和纤维桥接显著提高了I型断裂韧性和II型断裂韧性。这种改进使得冲击性能得到提升，冲击后的损伤面积减少到257?mm²，CAI强度提高到283?MPa。

作者贡献声明

余明明：概念构思、形式分析、研究、方法论、撰写——初稿。刘宇：数据整理、撰写——初稿。马佳欣：研究、可视化。唐建华：资源提供、监督。张欧生：资源提供、监督。王小蕾：资源提供、监督。谢旺：概念构思、资金获取、资源提供、监督、撰写——审阅与编辑。吴立辉：研究、可视化。方琳：验证。任慕苏：资源提供，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52403099）、中国航天科技集团上海航天技术研究院产学研合作基金（SAST2023-065）以及先进耐火材料国家重点实验室（上海）（SKLAR-ZZ-2025-11）的支持。