多层次碳纤维增强环氧树脂基复合材料层间增韧和阻尼减振实验及理论研究

Due to its high specific strength and modulus, resistance to corrosion and fatigue and designability, carbon fiber reinforced polymeric composite has been widely used in aerospace, railway transportation and automotive industries and becomes one of the irreplaceable structural materials. However, the poor interlaminar properties and low damping properties caused by its high stiffness become the bottleneck for its applications and are the hot research topics in the past decades. In this research, several forms of plant fibers which possess hierarchical micro-structures will be adopted to make multi-scaled carbon/plant fiber reinforced epoxy composites. The experimental and theoretical studies of interlaminar and vibration damping properties of carbon fiber reinforced epoxy composites will be performed. It is expected that by keeping its in-plan mechanical properties, both the interlaminar fracture toughness and damping properties of the composites will be improved simultaneously. Based on the micro-mechanics of composite materials, the multi-scaled theoretical models on the interlaminar damage and vibration damping will be set up and the multi-scaled structural design methodology will be proposed. Through this study, the theoretical basis for the structural design and manufacturing of interlaminar toughening and vibration damping of carbon fiber reinforced polymeric composites should be provided.

碳纤维增强高分子基复合材料由于其高的比强度和比模量、抗疲劳、耐腐蚀和可设计性强等特点已在航空航天、轨道交通、汽车等领域得到越来越广泛的应用，且逐渐成为一种不可替代的结构材料。然而其薄弱的层间性能和高刚度所带来的低阻尼性能一直是制约其应用发展的主要瓶颈，也是多年来高分子基复合材料领域的热点研究问题。本项目拟采用自身具有多层级微观结构且力学性能也较为优异的植物纤维的几种形式，制备多层次多尺度的碳纤维/植物纤维增强环氧树脂基复合材料，开展复合材料的层间增韧和阻尼减振性能的实验和理论研究，期望能够在保持碳纤维增强环氧树脂基复合材料面内性能的前提下，实现其层间断裂韧性和阻尼性能的提高。并在复合材料细观力学理论的基础上，建立多层次多尺度的高分子基复合材料层间力学损伤和阻尼减振模型，提出多层次多尺度的复合材料结构设计原则，为碳纤维增强高分子基复合材料层间增韧和阻尼减振的结构设计和制备提供理论依据。

碳纤维增强高分子基复合材料由于其高的比强度和比模量、抗疲劳、耐腐蚀和可设计性强等特点已在航空航天、轨道交通、汽车等领域得到越来越广泛的应用，且逐渐成为一种不可替代的结构材料。然而其薄弱的层间性能和高刚度所带来的低阻尼性能一直是制约其应用发展的主要瓶颈，也是多年来高分子基复合材料领域的热点研究问题。.本项目采用自身具有多层级微观结构且力学性能也较为优异的植物纤维的几种形式，制备多层次多尺度的碳纤维/植物纤维增强环氧树脂基复合材料，开展复合材料的层间增韧和阻尼减振性能的实验和理论研究。取得的主要成果和关键数据包括：（１）采用层间混杂技术制备了碳纤维／植物纤维混杂复合材料，探讨了其层间增韧和改善阻尼性能的机理，碳纤维增强复合材料的I型层间断裂韧性和II型层间断裂韧性分别提高了40％和64％，而一阶阻尼比最大提高了89％。（２）采用短纤维插层技术，制备了短植物纤维插层碳纤维增强复合材料，相比于碳纤维增强复合材料，其I型和II型层间断裂韧性分别提高了81.8％和73.5％。（３）采用纳米纤维素改性碳纤维增强复合材料，由于纳米尺度的纤维素分散难，其改性效果不如前两种方法好，I型和II型层间断裂韧性分别提高了22％和25％，损耗因子最大提高87％，而表面改性后，阻尼性能进一步提高。（４）创新性地提出多尺度纳米膜的方法进一步改善碳纤维增强复合材料的层间和阻尼性能，采用聚砜／纳米纤维素复合膜以及纳米纤维素／亚麻纤维毡复合膜插层复合材料，相比于单一纳米材料的改性效果，多尺度纳米膜改性方法效果更好，特别是层间断裂韧性最高近2倍。.通过本项目的研究，实现了对碳纤维增强环氧树脂基复合材料层间断裂韧性和阻尼性能的提高。建立了多层次多尺度的高分子基复合材料层间力学损伤和阻尼减振模型，提出了多层次多尺度的复合材料结构设计原则，为碳纤维增强高分子基复合材料层间增韧和阻尼减振的结构设计和制备提供理论依据。