前言
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）具有較高的強(qiáng)度和彈性模量，以及良好的抗壓穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)性能。在航空航天、軍用、風(fēng)電設(shè)備和高檔民用產(chǎn)品領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。CFRP由碳纖維作為增強(qiáng)體，聚合物作為基體而組成。目前，CFRP的實(shí)際強(qiáng)度與理論計(jì)算之間仍然存在著很大的差距，解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵是合理優(yōu)化界面。界面是復(fù)合材料的一種特殊成分，它與基體和增強(qiáng)體之間載荷的有效傳遞和分散有關(guān)，從而決定了復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。其中聚合物基體對(duì)界面起著至關(guān)重要的作用。界面處聚合物鏈的構(gòu)象和活性會(huì)影響界面相中聚合物的結(jié)晶度和形貌，進(jìn)而影響結(jié)合能，決定著界面質(zhì)量。
超聲輔助增材制造（AM）技術(shù)可以增加層間基體分子鏈之間的摩擦力，通過(guò)功熱轉(zhuǎn)換增強(qiáng)層間的滲透和擴(kuò)散，從而提高層間基體之間的界面性能。此外，該技術(shù)還可以影響聚合物的構(gòu)象和活性，促進(jìn)聚合物與纖維束之間的滲透和相互作用，最終增強(qiáng)CFRP的性能。
潤(rùn)濕脊形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)
本文用1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽液滴處理的聚丙交酯（PLA）薄膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖 1 中的原子力顯微鏡 （AFM） 拓?fù)溘E線所示，脊深度隨時(shí)間增加。圖b表示不同超聲功率下潤(rùn)濕脊深度隨放置時(shí)間的變化。由于深度對(duì)超聲波功率敏感，超聲波振動(dòng)縮短了深度到達(dá)最高點(diǎn)的時(shí)間。如圖c 所示，平臺(tái)的開始反映了弛豫時(shí)間 （τe），之后拓?fù)滏溂m纏阻止了進(jìn)一步的蠕變，呈現(xiàn)出一個(gè)高度恒定的平臺(tái)區(qū)。
分子鏈弛豫動(dòng)力學(xué)
為了闡明超聲振動(dòng)對(duì)表面活性影響的分子機(jī)理，本文對(duì)具有不同初始速度的PLA分子鏈進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬，以表示超聲振動(dòng)功率。
PLA分子鏈對(duì)分子鏈的初始速度表現(xiàn)出明顯的依賴性。如圖b所示，弛豫時(shí)間 τe隨著初始速度的增加而縮短，表明表面松弛過(guò)程增強(qiáng)。圖c表明，聚合物中不同部位的均方位移（MSD）和擴(kuò)散系數(shù)存在明顯差異，但與初始速度一致。表面鏈的MSD和擴(kuò)散系數(shù)最大，代表最大的擴(kuò)散能力，然后向樣品內(nèi)部逐漸減弱，呈現(xiàn)自上而下逐漸松弛的趨勢(shì)。
基于潤(rùn)濕脊的壽命和分子鏈的動(dòng)力學(xué)特性，可以發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)可以通過(guò)鏈段動(dòng)力學(xué)和鏈構(gòu)象的疊加梯度顯著提高分子鏈的表面活性。
超聲波振動(dòng)通過(guò)向分子鏈傳遞能量來(lái)增強(qiáng)分子鏈在表面的遷移率，從而加速分子鏈的鏈段動(dòng)力學(xué)和構(gòu)象演化。這使得它們能夠順利突破分子間相互作用的約束，加速松弛-蠕變變形-解纏過(guò)程，釋放未扭曲的分子鏈，從而提高聚合物鏈在表面的遷移率和活性。此外，PLA分子量隨超聲功率的變化也證實(shí)了超聲振動(dòng)不會(huì)通過(guò)破壞分子結(jié)構(gòu)來(lái)影響活性。
力學(xué)性能測(cè)試
PLA活性的增強(qiáng)必將促進(jìn)PLA分子與碳纖維之間的滲透和相互作用，進(jìn)一步促進(jìn)CFRP的界面附著力和整體性能。上圖顯示了PLA與碳纖維的界面剪切強(qiáng)度（IFSS）以及不同超聲振動(dòng)功率下制備試樣的拉伸強(qiáng)度。如圖 a所示，在30W超聲振動(dòng)下處理的試樣IFSS達(dá)到26.41 MPa，比純?cè)嚇痈?2.89%。圖b說(shuō)明超聲振動(dòng)增強(qiáng)了CFRP的拉伸強(qiáng)度。CFRP在30 W超聲振動(dòng)下的抗拉強(qiáng)度達(dá)到173.09 MPa，比未處理試件提高了10.73%，與潤(rùn)濕脊結(jié)果一致。
結(jié)論
本文從實(shí)驗(yàn)和理論上探討了超聲振動(dòng)對(duì)PLA基體活性的影響，以及由此產(chǎn)生的 CFRP界面和力學(xué)性能的變化。超聲振動(dòng)處理后PLA薄膜的潤(rùn)濕脊表明其活性顯著增強(qiáng)。MD模擬表明，超聲振動(dòng)可以顯著提高分子鏈的表面活性，因?yàn)槌曊駝?dòng)在鏈段動(dòng)力學(xué)和鏈構(gòu)象中具有疊加梯度。
超聲振動(dòng)加速了分子鏈的動(dòng)力學(xué)和構(gòu)象演化，加速了松弛-蠕變變形-解纏過(guò)程，使未扭曲的分子鏈游離。流動(dòng)性和活性的提高不可避免地促進(jìn)了聚合物與纖維束之間的滲透和相互作用，并進(jìn)一步增強(qiáng)了CFRP的界面和整體性能。30W超聲振動(dòng)處理試件的IFSS和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到26.41 MPa和173.09 MPa，比未處理試件提高了82.89%和10.73%，這與潤(rùn)濕脊結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了超聲振動(dòng)可以通過(guò)促進(jìn)基體分子活性提高CFRP性能。
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