"龟裂"TiO2纳米纤维片的可控制备及其增强增韧复合材料层合板的作用机制

Weak performance between layers is one of the bottlenek factors constrainted the applications of laminated composite under high load conditions.The “cracking”nanofibers possess large specific surface area ,slice and porous structure characterization. This project creats a new approach to realize the enhancing and toughing composite based on the characterization of “cracking” nanofibers. This research focuses on the preparation of “crack” TiO2 nanofiber,the controllable building of nanofibers between layers, and the mechanism of reinforcing and toughing.The effect of electrospinning, pretreatment, calcination on the forming of “cracking ” nanofibers and the interlayer bonding strength.The relationship between GF/TiO2NF preform strcture and resin flow action is investigated by using CFD technical and set up resin fluid dynamics model, the influence of the resin flow to the distribution and morphology of the nanofiber sheet layer is revealed.The effect of interlayer cracking way,cracking shape and expanding cracking path on the porous structure, distributing between interlayer, space geometry.Definite the mechanism of “cracking” TiO2 nanofiber sheets on the interlayer reinforcing and toughing of laminated composite.

层间性能薄弱是制约复合材料层合板在高负载条件下应用的瓶颈因素之一。本项目拟利用“龟裂”纳米纤维片比表面积大、空间自由度高和片状多孔结构等特点，提出一种复合材料层间增强增韧的新途径。重点围绕“龟裂”TiO2纳米纤维片制备、纳米纤维片的层间形态与分布控制及其增强增韧作用机制的相关问题进行研究。采用先进测试手段考察静电纺、前处理、煅烧工艺对“龟裂”纳米纤维成型以及与玻纤布界面结合强度的影响；借助计算流体动力学（CFD）技术，建立树脂流体动力学模型，揭示树脂流动对纳米纤维片层间形态与分布的影响规律；采用SEM分析纳米纤维片的多孔网状结构、层间分布、空间几何形态等因素对复合材料层间断裂面开裂方式、裂纹形状和裂纹扩展路径的影响，进而揭示“龟裂”TiO2纳米纤维片对复合材料层合板的增强增韧作用机制。

本项目提出的一种新型“龟裂”纳米纤维片具有比表面积大、空间自由度高和片状多孔结构等特点而应用于玻纤增强树脂基复合材料层间增韧改性。本研究旨在揭示“龟裂”纳米纤维片在复合材料层间的增韧机理，为层合复合材料整体力学性能的改善提供新途径。项目首先研究了“龟裂”纳米纤维片的形成条件和结构演变规律，发现通过调整静电纺电压强度、纳米纤维膜厚度、蒸汽处理时间和煅烧温度等参数可实现龟裂纳米纤维片的纤维结构和龟裂状态的可控制备。在纳米纤维对树脂层间渗透影响的研究中，重点考察了有机/无机纳米纤维膜和“龟裂”纳米纤维片的层间渗流特性，研究表明，有机/无机纳米纤维膜在复合材料层间导致树脂流动的部分饱和区域面积比例增大，宏观流动速率大幅减小，微观渗流增加，复合预制体不易被浸透；而引入“龟裂”纳米纤维片的复合预制体与空白玻纤织物预制体相比，在层间引入了大量的微观流道，使得主渗透率值增加了两个数量级。在复合材料层间增韧作用机制的研究中，发现纳米纤维片的引入使层间裂纹扩展路径由平滑过渡到锯齿状，使得复合材料的I型和II型层间断裂韧性值高出86%和145.72%。此外，冲击后压缩性能的研究结果表明，纳米纤维片层间增韧试样的冲击后压缩强度较未增韧的试样提高了81%。