摘要
碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）由于其高比强度、高比模量、可设计性强等优势，在航空航天、轨道交通、装甲防护、新能源和体育运动等领域得到了广泛的应用。但CFRP的层间薄树脂区域导致其层间断裂韧性较低，易发生分层破坏，严重限制了CFRP的进一步发展。因此，如何提高CFRP的层间断裂韧性以及抗冲击损伤性能已成为国内外学者研究的重点。基于“可控层间相”的层间增韧技术，可以在不改变CFRP成型工艺的前提下提升其层间断裂韧性。近年来，更多的研究专注于多尺度层间增韧以实现CFRP层间断裂韧性的显著提升。然而，忽略了对CFRP强度、弹性模量和玻璃化转变温度（Tg）的影响，且多尺度混杂体系的协同效应也不明确。 天然结构材料（如骨、珍珠层等）通过跨尺度的多种增韧机制将高强度与高韧性有效结合，其抗断裂能力可分为在裂纹尖端之前的内（塑性）增韧机制和在裂纹尖端之后的外（屏蔽）增韧机制。本文受天然结构材料多尺度内–外增韧机制的启发，在CFRP层间构筑了混杂增韧体系。通过纳米核壳橡胶（NanoCSR）、微米核壳橡胶（MicroCSR）的空化、拉伸变形以扩大裂纹尖端的塑性区，抑制裂纹萌生与扩展；同时在裂纹穿过的区域通过碳纳米管（CNT）、短切碳纤维（SCF）的桥联、拔出等降低裂纹尖端的局部应力场和应变场，阻碍裂纹扩展，使裂纹阻抗曲线（R曲线）上升。利用上述多尺度材料混杂产生协同效应，旨在不牺牲CFRP强度、弹性模量和Tg的前提下，改善其层间断裂韧性，提高抗低速冲击损伤性能。本文主要工作如下： （1）以纳米尺度的NanoCSR和微米尺度的SCF为原材料，制备了SCF/NanoCSR多尺度层间增韧CFRP层合板。首先，综合NanoCSR改性环氧树脂体系的断裂韧性、拉伸及弯曲试验结果，确定了NanoCSR的最佳添加量为12wt%。其次，利用纤维素溶液分散和筛网过滤的方式制备了短切碳纤维毡（SCFV），并通过SCFV层间增韧CFRP的双悬臂梁（DCB）试验确定了SCFV的最佳面密度为20g/m2。最后，将20g/m2SCFV/NanoCSR-12混杂夹层插入CFRP层间，制备了层间增韧CFRP层合板。实验结果表明，多尺度混杂材料体系的层间增韧效果优于单一材料组分NanoCSR和SCF的。与未增韧的相比，多尺度层间增韧CFRP的I型临界应变能释放率（GIC-C）和Ⅱ型临界应变能释放率（GIIC-C）分别提升了127%和154%，且CFRP的强度、弹性模量和Tg几乎不受影响。这是由于裂纹尖端周围的NanoCSR和SCF分别触发了纳米尺度内增韧和微米尺度外增韧机制，且多种机制共同作用，表现出耦合效应。一方面，SCF通过促进产生阶梯裂纹，使树脂基体产生较大的有效表面积，增加了单位断面上NanoCSR孔洞分布密度，显示了SCF对NanoCSR的促进作用；另一方面，高模量SCF对NanoCSR孔洞引起的基体塑性变形也存在约束作用。SCF和NanoCSR在裂纹扩展的不同阶段分别发挥主导作用，决定了协同增韧效率。在I型断裂载荷下，SCF与NanoCSR的协同率逐渐稳定在10%。当SCF桥联效应由于裂缝开口距离不够而受到限制时，SCF对NanoCSR的约束占主导地位；当裂纹稳定扩展时，SCF和NanoCSR各自的增韧机制相互促进，发挥了协同效应。在Ⅱ型断裂载荷下，SCF与NanoCSR均促进了阶梯裂纹的产生，使得SCF与NanoCSR的协同效应更为显著，达到约75%。 （2）以纳米尺度的CNT和微米尺度的MicroCSR为原材料，制备了CNT/MicroCSR多尺度层间增韧CFRP层合板。首先，综合CNT/MicroCSR改性环氧树脂体系的断裂韧性和弯曲试验结果，确定了CNT和MicroCSR的最佳添加量分别为0.5wt%和8wt%。然后，将CNT-0.5/MicroCSR-8引入CFRP层间区域，制备了层间增韧CFRP层合板。实验结果表明，多尺度层间增韧CFRP的层间增韧效果均优于单一材料体系CNT和MicroCSR的，与未增韧的相比，GIC-C和GIIC-C分别提升了123%和79%，且未影响CFRP的弯曲性能及Tg。与（1）不同的是，裂纹尖端周围的CNT和MicroCSR分别触发了纳米尺度的外增韧和微米尺度的内增韧。一方面，CNT和MicroCSR引入CFRP层间促进了界面阶梯裂纹的产生，体现了CNT对MicroCSR的正向促进作用。另一方面，CNT横贯在MicroCSR孔洞之间限制了孔洞的拉伸变形，体现了高模量CNT对MicroCSR的约束作用。在I型断裂载荷下，CNT与MicroCSR的相互作用使协同率稳定在-10%；在Ⅱ型断裂加载下，CNT跨越切应力产生的裂缝形成桥联，延缓了层间裂纹扩展，CNT与MicroCSR的协同率约为29%，说明在切应力作用下二者的协同效应更加显著。 （3）对20g/m2SCFV/NanoCSR-12和CNT-0.5/MicroCSR-8层间增韧CFRP层合板进行了落锤冲击试验，并与未增韧试样进行了对比。结果显示，多尺度层间增韧改善了CFRP的层间断裂韧性，显著提升了CFRP的抗低速冲击损伤性能。当冲击能量为15J时，20g/m2SCFV/NanoCSR-12和CNT-0.5/MicroCSR-8试样的能量–时间曲线存在反弹区域，未被击穿，其能量吸收值分别为13.5J和12.2J，而未增韧试样已被击穿。在相同的冲击能量下，20g/m2SCFV/NanoCSR-12试样具有更小的损伤面积和更浅的凹坑深度，显示出更优异的抗低速冲击损伤性能。而CNT-0.5/MicroCSR-8试样的抗剪切破坏能力较弱，局部冲击损伤较为严重，这可能与其较低的GIIC-C有关。
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