随着碳纤维增强树脂基复合材料在航天领域中的广泛应用,结构/功能一体化碳纤维复合材料将发挥出重要作用。本文采用功能化层间技术(FIT)制备了高导热沥青基碳纤维增强氰酸酯复合材料。以GNPs和AlO为导热填料,在复合材料层间构筑三维导热网络结构。以短切碳纤维CF为骨架结构,增强层间相互作用,探索微观导热结构对复合材料宏观热性能的影响与作用机制。
在短切碳纤维薄表面电泳沉积GNPs和AlO制备薄膜材料GNPs-AlO/CF作为多功能插层结构。采用正交铺层[0/90]和准各向同性铺层[0/+45/90/-45]制备碳纤维复合材料,并且在铺层过程中将制备的多功能插层结构设置在预浸料层与层之间,最后采用热压罐固化成型工艺制备复合材料。通过扫描电镜、原子力显微镜、激光闪光测试仪和万能试验机对多功能插层结构及碳纤维复合材料的导热性能和力学性能进行表征。
由扫描电镜和原子力显微镜图像可以得出结论,GNPs和AlO成功附着在了纤维表面,这预计将在复合材料层与层之间厚度方向上形成有效的导热结构,确保薄膜材料对导热性能的改善做出贡献。同时使碳纤维表面变得更加粗糙,也将有助于改善碳纤维复合材料层间性能。GNPs-AlO/CF薄膜的面内和面外热导率达到最大,分别为925 W/(m·K)和8.61 W/(m·K)。比未表面改性的CF薄膜提高了80.6%和406.5%。引入GNPs片状结构到颗粒中,降低了AlO直接接触所形成的界面热阻,同时能够充分利用GNPs的超高面内值,提高复合材料热传输效率。正交铺层层合板的面内和面外热导率最大分别为312.7 W/(m·K)和2.9 W/(m·K),比未改性正交铺层层合板的176.2 W/(m·K)和1.3 W/(m·K)提高了77.5%和123.1%。准各向同性铺层层合板的面内和面外热导率最大分别为424.6 W/(m·K)和3.2 W/(m·K),比未改性准各向同性铺层层合板的193.9 W/(m·K)和1.6 W/(m·K)增加了119.0%和50.0%。理想的热传输结构有效地降低了填料/填料界面和填料/聚合物界面的界面热阻。多功能夹层结构有规律地平铺于碳纤维预浸料层与层之间,形成周期性的层状结构,通过堆叠连接形成了许多导热单元。此外,与未设置多功能插层结构的空白组试样相比,的平均ini Ic和prop Ic分别从298.J/m和322.6J/m增加到485.7J/m和501.9J/m,对应分别增加了62.8%和55.6%。多功能插层结构的加入延缓了裂纹的萌生,增加了裂纹扩展需要的载荷。
通过功能化层间技术,GNPs-AlO/CF薄膜材料提供了双功能特性,同时提高了沥青基碳纤维层合板的面内、面外热导率和层间韧性。薄膜可以很好地渗透到树脂基体中,在碳纤维层间区域形成连续导热结构。针对两种不同的铺层方式:正交铺层层合板的面内和面外热导率最大分别为312.7 W/(m·K)和2.9 W/(m·K),增加了77.5%和123.1%。准各向铺层层合板的面外和面内热导率最大分别为3.2 W/(m·K)和424.6 W/(m·K),增加了50.0%和119.0%。通过增韧机理研究,GNPs-AlO/CF薄膜材料增大了裂纹扩展所需的能量,达到层间增韧的作用。
随着碳纤维增强树脂基复合材料在航天领域中的广泛应用,结构/功能一体化碳纤维(CF)复合材料将发挥出重要作用。本文采用功能化层间技术(Functional interlayer technology,FIT)制备了高导热沥青基碳纤维增强氰酸酯复合材料。在短切碳纤维薄膜表面电泳沉积石墨烯片(GNPs)和Al2O3制备薄膜材料GNPs-Al2O3/CF作为多功能插层结构,以其取代纤维层之间的富树脂层区域。后者表现出良好的导热性能,正交铺层复合材料的面内热导率和面外热导率分别提高了123.1%和77.5%,准各向同性铺层复合材料的面内热导率和面外热导率分别提高了119.0%和50.0%。此外,多功能插层结构的加入可以阻碍裂纹的扩展,改善复合材料层间韧性。因此,多功能插层结构既能在层间形成有效的导热网络结构,改善复合材料面内和面外热导率,又能提高层间区域的增韧效率。