【原】西安交通大学顶刊:简单又环保，采用电场辅助润湿方法提高纤维复合材料界面强度

1　导读

碳纤维增强复合材料具有比强度高、轻量化、耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天领域。但碳纤维增强聚合物复合材料存在界面性能差，工艺复杂等缺点，在一定程度上限制了复合材料的发展。因此，探索具有简单、工艺可控、可扩展生产、防止纤维强度降低和化学污染等特点的替代技术是优化复合材料界面的迫切需要。西安交通大学机械工程学院温凯强博士等人在《Composites Part B: Engineering》上发表了题为“Enhancing Mechanical Strength of Carbon Fiber-Epoxy Interface through Electrowetting of Fiber Surface”的文章，报道了一种基于电辅助润湿技术的增强碳纤维与聚合物基体界面黏附的新方法。结果表明，在外加电场作用下，聚合物完全浸润到纤维表面的小沟槽中，导致共形接触界面的形成。该方法可有效调节纤维增强复合材料的界面荷载传递能力，适用于纤维增强复合材料的优化设计。

2　内容简介

该文首先对T800H和T800S碳纤维表面形貌进行了表征，发现T800H纤维表面有明显的平行纵向沟槽，而T800S纤维表面相对光滑并且T800H的沟槽尺寸明显比T800S的更大。而树脂对这种纤维表面结构的不完全浸润，会导致纤维和聚合物之间的界面周围经常会出现空隙，从而形成如图1(a)所示的非共形界面，从而导致Cassie湿润状态。因此，表面润湿状态从Cassie到Wenzel对界面性能提升是至关重要的。实现这一转变，可以通过液态树脂填充表面微结构，形成理想的填充，获得机械互锁界面(图1(c))，增加界面摩擦，抑制相互滑动，从而提高界面强度。

图1：(a) T800H碳纤维-环氧树脂界面的SEM图 (有明显的空隙)；(b)纤维-环氧树脂界面示意图，如图(a)所示；(c)理想界面示意图

图2 ：(a)电辅助润湿法制备碳纤维增强环氧树脂复合材料示意图；(b)电润湿固化过程中纤维表面纳米结构-环氧界面截面的SEM图

为了解决不完全浸润的问题，文章提出了一种电辅助润湿方法。利用电润湿来促进液体聚合物对纤维微结构的润湿性。该方法的工艺如图2(a)所示，主要通过碳纤维在液槽中浸渍树脂过程中施加平均电场，利用电场控制液体聚合物的润湿效应。电辅助润湿法制备的复合材料界面，如图3(b)所示。观察到环氧树脂与碳纤维紧密粘接，无明显空隙，说明环氧液体完全填充了表面沟槽，固化过程中形成共形界面。通过XPS研究电场对碳纤维表面微观结构的影响，以表征碳纤维的化学成分。结果表明，电辅助润湿法在碳纤维表面没有或很少引起化学变化，并没有改变纤维中元素的含量。

图3(a)微滴脱粘测量IFSS示意图；(b) T800H-EP (I)与E-T800H-EP (II)界面脱粘表面；(c)电场作用前后T800H-EP界面的平均IFSS；(d) T800S-EP界面的平均IFSS

另外，为了验证电润湿诱导的机械互锁形貌的实际促进作用，通过微滴脱粘试验测定碳纤维-环氧(EP)复合材料的平均IFSS来评价其界面性能。电场作用下，两种纤维复合材料的IFSS显著增加，分别达到97.26 MPa和119.69 MPa，提高了87.25%和81.02%，这是由于电场使液体树脂的润湿性发生了变化，迫使树脂浸润到纤维表面沟槽状的微观结构中。这导致纤维与基体之间形成机械连锁形态，如图3(b)所示。综上所述，复合材料的界面力学性能表明，电润湿法可以提高碳纤维增强复合材料的界面结合强度。

为揭示外加电场作用下的电润湿机理及机械互锁界面的形成，文章采用有限元模拟方法，研究了液体环氧树脂在粗糙表面的浸润过程。模拟了环氧树脂润湿碳纤维微结构表面的流变行为。显示了液体树脂在未外加电场情况下在粗糙表面上的稳态流变结果，即树脂没有完全填充表面的空腔，这与图2(a)的实验结果一致。这是由于表面张力作为阻力，阻碍树脂流入微槽。外加电场的作用下，液态环氧树脂可以完全填充微观结构，湿润状态由Cassie状态变为Wenzel状态。

图4：(a-b)两相流模型无/有平行电场时的示意图；(c-d)无/有平行电场时纤维表面上环氧树脂流变行为的有限元分析

3　小结

采用简单、环保的电辅助润湿方法，成功地提高了碳纤维与聚合物基体的界面强度。该方法促进了界面润湿和机械互锁的形成，有利于碳纤维结构的充分利用。通过微滴脱粘试验和单纤维断裂试验，分析了电场辅助对碳纤维环氧树脂界面强度的影响。结果表明，碳纤维-环氧复合材料界面IFSS最高可达119.69 MPa，比原纤维基复合材料界面IFSS提高了81.02%。两相流动力学模拟表明，在气液界面处存在的麦克斯韦力是驱动液态树脂进入表面沟槽的驱动力，以形成机械联锁界面。综上所述，电辅助润湿法可用于增强不同碳纤维和聚合物复合材料的界面性能。

原始文献：Xiaoming Chen, Kaiqiang Wen, Chunjiang Wang, Siyi Cheng, Shuo Wang, Hechuan Ma, Hongmiao Tian, Jie Zhang, Xiangming Li, Jinyou Shao,Enhancing mechanical strength of carbon fiber-epoxy interface through electrowetting of fiber surface,Composites Part B: Engineering,Volume 234,2022,109751, https:///10.1016/j.compositesb.2022.109751.