玄武岩/凯夫拉纤维增强环氧树脂混杂复合材料掺入石墨烯纳米片（GnP）的模式I和模式II层间断裂韧性

《Polymer Composites》：Mode I and Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Basalt/Kevlar Fiber Reinforced Epoxy Resin Hybrid Composites Incorporating Graphene Nanoplatelets

　　

本研究考察了添加石墨烯纳米片（graphene nanoplatelets, GnP）的玄武岩/凯夫拉纤维增强环氧树脂混杂复合材料的模式I和模式II断裂行为。采用真空辅助树脂传递模塑（vacuum-assisted resin transfer molding, VARTM）制备了含有不同浓度GnP（0、1、2和3?wt%）的混杂复合材料。分别按照ASTM D5528和ASTM D7905标准，通过双悬臂梁（double cantilever beam, DCB）和端部缺口弯曲（end-notched flexure, ENF）试验评估了模式I和模式II断裂韧性。GnP的加入显著提高了层间断裂抗力，在GnP含量为1和2?wt%时观察到最显著的改善。具体而言，模式I断裂韧性提高了51%，可能归因于裂纹偏转和桥接等机制；而模式II断裂韧性提高了6.2%，可能归因于纤维-基体界面键合增强和剪应力重新分布。断裂表面的扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）分析揭示了几种增韧机制，包括GnP拔出、基体塑性变形以及抑制纤维与基体脱粘。这些结果凸显了GnP在玄武岩/凯夫拉混杂复合材料中的协同效应，并表明这是一种在张开和剪切载荷模式下设计具有优异抗分层性能的高性能材料的可行策略。本研究为纳米填料对混杂复合材料断裂行为的影响提供了重要见解，并有助于开发用于工程应用的先进材料。

**论文解读：石墨烯纳米片增强玄武岩/凯夫拉混杂复合材料的层间断裂韧性研究**

**1. 研究背景与问题**

纤维增强聚合物复合材料因高比强度和多功能性在航空航天、汽车及土木工程领域广泛应用。其中，玄武岩纤维兼具成本效益和良好的热稳定性，而凯夫拉纤维（芳纶）则以其高拉伸强度和能量吸收能力著称。将两者混杂于环氧树脂基体中，有望实现力学性能的协同优化。然而，层间分层是多层复合材料关键失效模式，尤其模式I（张开型）和模式II（剪切型）断裂韧性是评价其抗分层能力的重要指标。现有研究表明，纤维表面处理、铺层顺序及纳米填料引入均可影响断裂韧性，但关于石墨烯纳米片（graphene nanoplatelets, GnP）在玄武岩/凯夫拉混杂体系中同时提升两种模式断裂韧性的系统研究仍较匮乏，且缺乏对铺层顺序与GnP含量交互作用的深入分析。因此，该项研究旨在填补这一空白，探究不同GnP含量和铺层顺序对混杂复合材料模式I和模式II断裂行为的影响。

**2. 研究内容与结论**

研究人员采用真空辅助树脂传递模塑（VARTM）工艺制备了两种铺层顺序（[K5B10K5]和[B5K10B5]）的玄武岩/凯夫拉/环氧混杂复合材料，并掺入0、1、2、3?wt%的GnP。通过双悬臂梁（DCB）试验和端部缺口弯曲（ENF）试验分别测定模式I（G_IC）和模式II（G_IIC）层间断裂韧性，结合扫描电子显微镜（SEM）观察断裂形貌。主要结论：对于模式I，以玄武岩为主要表层的B5K10B5铺层在0–2?wt% GnP下具有更高的G_IC（最高达1208.85?J/m²，2?wt% GnP时较未改性提升21%），这是由于玄武岩的高刚性和GnP的裂纹偏转与桥接效应；3?wt% GnP因团聚导致韧性下降。对于模式II，以凯夫拉为主要表层的K5B10K5铺层在0–2?wt% GnP下表现更优（最高达2950.33?J/m²，2?wt% GnP时提升40%），归因于凯夫拉纤维的桥接和塑性变形能力与GnP的协同增强。SEM证实了GnP拔出、基体塑性变形及纤维-基体界面脱粘抑制等增韧机制。该研究发表在《Polymer Composites》，为针对不同载荷模式设计抗分层高性能混杂复合材料提供了实验依据。

**3. 关键技术方法（≤250字）**

为开展研究，研究人员主要采用以下关键技术方法：（1）真空辅助树脂传递模塑（VARTM）工艺：将不同含量（0、1、2、3?wt%）的石墨烯纳米片（GnP）通过机械搅拌（3000?rpm，10?min）分散于环氧树脂（HEXION-MGS LR285/LH285，重量比100:40）中，再通过手工铺层与真空辅助浸渍制备混杂复合材料，铺层顺序为[K5B10K5]（凯夫拉外层）和[B5K10B5]（玄武岩外层），材料来源包括Dost Kimya Co.（土耳其伊斯坦布尔，玄武岩和凯夫拉织物）、Grafen Chemical Industries Co.（土耳其安卡拉，GnP）。（2）标准化力学测试：依据ASTM D5528进行双悬臂梁（DCB）试验测定模式I断裂韧性（G_IC）；依据ASTM D7905进行端部缺口弯曲（ENF）试验测定模式II断裂韧性（G_IIC），每组重复5次。（3）微观形貌表征：采用扫描电子显微镜（SEM）观察断裂表面，分析增韧机制。

**4. 研究结果**

**3.1 G_IC 模式I断裂韧性**

通过载荷-位移曲线和断裂韧性值分析发现，两种铺层顺序的G_IC均随GnP含量增加呈先升后降趋势，峰值在2?wt% GnP处。B5K10B5铺层在0?wt% GnP时G_IC为998.61?J/m²，较K5B10K5（619.47?J/m²）高61.2%；加入1–2?wt% GnP后，两者差距缩小至24.7%–19.7%，但B5K10B5仍占优。3?wt% GnP时两者G_IC趋同（约795?J/m²），表明团聚导致应力集中。研究表明，玄武岩外层结构更有利于模式I抗分层，而适量GnP通过裂纹偏转和桥接进一步增强。

**3.2 G_IIC 模式II断裂韧性**

模式II结果呈现相反趋势：凯夫拉外层K5B10K5铺层在所有GnP含量（0–2?wt%）下均优于B5K10B5。0?wt% GnP时K5B10K5的G_IIC为2099.62?J/m²，较B5K10B5（1584.31?J/m²）高32.5%；2?wt% GnP时差值扩大至48%（2950.33 vs. 2000.17?J/m²）。3?wt% GnP时两者G_IIC均急剧下降至约1190?J/m²。这表明凯夫拉纤维的固有韧性和GnP的协同作用在剪切载荷下尤为有效。

**3.3 SEM形貌**

SEM观察显示，未改性样品（K5B10K5纯样）存在显著脱粘和空隙，而加入1?wt% GnP后微观结构更致密，裂纹减少。B5K10B5纯样呈现粗糙断裂面，2?wt% GnP填充了界面空隙，形成均匀表面。白色箭头指示GnP形成的界面桥接，有效抑制裂纹扩展。增韧机制包括GnP拔出、基体塑性变形及纤维-基体脱粘抑制。

**3.4 铺层顺序与GnP含量对断裂韧性的影响**

**3.4.1 模式I断裂抗力（G_IC）**：B5K10B5铺层在0–2?wt% GnP下始终优于K5B10K5，但GnP添加缩小了差距。最大G_IC出现在2?wt% GnP的B5K10B5（1208.85?J/m²）。3?wt% GnP时两者相等。

**3.4.2 模式II断裂抗力（G_IIC）**：K5B10K5铺层在0–2?wt% GnP下显著优于B5K10B5，且差距随GnP含量增加而扩大。2?wt% GnP时K5B10K5的G_IIC达2950.33?J/m²，较未改性提高40%。3?wt% GnP时两者均大幅下降。

**3.4.3 铺层与GnP协同总结**：模式I主导的应用宜选B5K10B5+2?wt% GnP；模式II主导的应用宜选K5B10K5+1–2?wt% GnP。结构设计需根据预期失效模式定制。

**5. 总结与结论**

讨论部分指出，GnP通过裂纹桥接、界面增强等机制提升断裂韧性，但过量GnP（3?wt%）因团聚成为应力集中源，对模式II的损害尤为明显。研究也承认局限性，如仅考察两种铺层、GnP浓度上限为3?wt%、未涉及疲劳或湿热环境等。未来研究方向包括探索其他混杂序列、纤维表面处理、疲劳测试及多尺度模拟等。

**研究结论翻译**：本研究表明，通过合理使用GnP增强与层序控制，可有效调控混杂复合材料的层间断裂特性。分析揭示，模式I和模式II断裂抗力由纳米填料含量与层序的复杂相互作用决定，每种因素的重要性因断裂模式而异。模式I分析表明，玄武岩占优铺层（B5K10B5）在低GnP含量下表现出更优层间断裂韧性，这得益于玄武岩纤维的高刚性。2?wt% GnP使两种构型的韧性最大化，其中B5K10B5为张开裂纹条件的最佳选择。相反，模式II剪切裂纹下，凯夫拉富集铺层（K5B10K5）显示了更高的剪切韧性，尤其在1?wt% GnP时因纳米颗粒良好分散而进一步增强。总体而言，本研究为开发具有应用特异性断裂抗力的定制复合材料提供了基础。在航空航天、汽车或国防等承受复杂载荷条件的应用中，需根据失效模式选择合适的混杂比和铺层顺序。