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自從上世紀六七十年代，碳纖維實現(xiàn)工業(yè)化以來，碳纖維及其復(fù)合材料獲得高速發(fā)展，并不斷推動碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)進步，為了提升碳纖維復(fù)合材料的專業(yè)技術(shù)知識，本公眾號特建立了最新技術(shù)進展專題，主要介紹國內(nèi)外碳纖維及其復(fù)合材料領(lǐng)域的最新技術(shù)進展。

本文主要介紹了美國橡樹嶺國家實驗室在碳纖維復(fù)合材料性能研究領(lǐng)域的最新進展，成果發(fā)表在今年1月復(fù)合材料科學(xué)與技術(shù)雜志上，主要研究了二氧化鈦顆粒增強對碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的影響。

碳纖維復(fù)合材料的高比強度特性使其在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中格外引人注目，但是，在高應(yīng)變條件或高疲勞循環(huán)等條件下，會出現(xiàn)突發(fā)性、災(zāi)難性的失效行為，這使得碳纖維復(fù)合材料的低應(yīng)變失效成為關(guān)注的焦點。

而復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)的損傷讓這一點更加復(fù)雜，因為它表面上并未顯示出損傷。因此，在保持復(fù)合材料良好性能的同時，如何監(jiān)控復(fù)合材料本身的結(jié)構(gòu)完整性和應(yīng)力應(yīng)變史對確保安全運行至關(guān)重要。

美國橡樹嶺國家實驗室的科研人員成功的采用連續(xù)浸漬處理方式，在碳纖維表面均勻地包覆TiO?納米顆粒，而TiO?納米顆粒在碳纖維上的均勻分散證明可以制備具有增強自傳感能力的壓阻性碳纖維-聚合物基復(fù)合材料。與未進行顆粒增強的復(fù)合材料相比，嵌入納米顆粒的復(fù)合材料具有更高的強度和阻尼。

為了制備納米顆粒復(fù)合材料，通過由納米顆粒表面處理槽和上漿槽組成的連續(xù)裝置，對碳纖維進行處理。納米顆粒表面處理浴由分散在水中的納米顆粒組成，并在浸漬過程中攪拌以均勻涂覆纖維，如下圖所示。

利用掃描電子顯微鏡觀察到纖維每根絲束表面均存在均勻涂層，隨著漿槽中納米顆粒重量百分比的增加，纖維表面的納米顆粒含量也隨之穩(wěn)步增加，下圖中a-e分別為TiO?納米顆粒含量0、1.0wt%、2.0wt%、3.0wt%和4.0wt%。

復(fù)合材料力學(xué)性能結(jié)果顯示：當顆粒增強復(fù)合材料中TiO?為1.0wt%時，復(fù)合材料的層間剪切強度比增強前提高了14.7%。

當顆粒增強復(fù)合材料中TiO?為1.5wt%時，復(fù)合材料在Tg處的tanδ增加幅度高達247%，說明納米顆粒涂層纖維具有一定的阻尼效果。而壓阻特性研究顯示，當TiO?含量為2.5 wt%時，壓阻靈敏度提高了186%。

本研究通過利用這種連續(xù)的、商業(yè)上可擴展的納米顆粒涂層工藝，制造出了多功能碳纖維復(fù)合材料，這種復(fù)合材料不僅可以提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強度，還可以集成用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的自傳感能力，因此具有潛在的廣闊應(yīng)用前景。