珍珠启发的梯度POSS界面改性碳纤维复合材料层合板抗冲击损伤性能研究

《Polymers》：Performance of Multi-Gradient Biomimetic POSS-Toughened CFRP Laminates with a Pearl-Inspired Hard-Soft Interfacial Architecture

　　

摘要

碳纤维增强环氧树脂（CFRP）复合材料因其高比强度和比模量而被广泛应用于航空航天结构；然而，低速冲击引发的基体开裂和层间分层损害了结构安全性。为克服通过均匀纳米改性同时提高界面强度和抗冲击性能的难题，本文开发了一种受珍珠启发的梯度界面结构，其中多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）沿厚度方向呈梯度分布，并将其与未改性和均匀改性的CFRP层合板进行了对比。结合SEM/EDS、TEM、双悬臂梁测试、低速冲击测试、冲击后压缩（CAI）测试和微CT，考察了POSS空间分布对界面形貌、I型层间断裂韧性及冲击损伤演化的影响。POSS的引入增加了界面粗糙度，并在环氧基体中形成了纳米级POSS富集畴。虽然均匀添加0.5 wt% POSS使平均CAI强度提高至142 MPa，但I型层间断裂韧性降至0.479 kJ·m^?2，表明存在性能权衡。相比之下，梯度界面将高POSS区域与保持较大基体连续性的低POSS区域相结合，从而将材料改性于厚度方向结构调控相整合。梯度层合板表现出更多分段裂纹路径和损伤分散，同时抑制了连续分层。在本文测试中，梯度CFRP层合板的I型层间断裂韧性为1.342 kJ·m^?2（n = 1），平均CAI强度为192 MPa（n = 3），相对于未改性层合板，描述性增幅分别约为148%和113.3%。这些结果表明，所测试层合板的响应不仅取决于POSS含量，还取决于其空间分布，为高抗损伤CFRP层合板提供了界面设计策略。