关键词：碳纳米管；热塑性复合材料；层间断裂韧性；力学性能
热塑性树脂基复合材料层压板中的层间结合主要通过树脂熔合实现，这不可避免地导致层间树脂富集现象。层间树脂中缺乏增强相，使其在厚度方向上的承载能力较弱，容易发生分层失效。
分层失效已成为制约复合板材性能提升的瓶颈，寻找有效方法增强复合材料层间性能，成为材料科学领域的重要研究方向。
一、现有增强方法的局限性
1、将碳纳米管直接喷涂或沉积在碳纤维或预浸料带表面，但是这种方法对设备要求高，且难以保证碳纳米管的均匀分散。
2、通过原位生长或化学接枝将碳纳米管附着在碳纤维表面，形成多尺度增强结构，但主要是改善面内性能，对层间性能的提升并不显著。
3、制备含碳纳米管的高韧性树脂复合薄膜，在成型前与预浸带交替层叠。但这种方法增加了复合材料的树脂含量，可能会降低面内性能。
这些局限性促使研究人员寻找更加有效的解决方案。
二、创新性的两步溶液浸渍法
大连理工大学团队提出的两步溶液浸渍策略，巧妙避开了传统方法的缺点。该方法的核心创新在于工艺设计，通过两个步骤实现碳纳米管在层间富树脂区域的精确分布。
工艺步骤解析
- 第一步：使用低浓度树脂溶液（13wt%）浸渍，确保树脂充分渗透至纤维束内部，提高浸渍程度
- 第二步：使用高浓度树脂溶液（18wt%）浸渍，并在该溶液中添加碳纳米管
第二步浸渍主要实现碳纳米管在层间富树脂区域的分散。
图1-CF/PPESK复合材料制备示意图
实验中所用的树脂基体为PPESK树脂，具有良好的溶解性，适合采用溶液浸渍法制备预浸带。碳纳米管的外径约为8～15nm，长度约为10～30μm，这种尺寸使其在增强复合材料中具有理想的长径比。
图2-PPESK的化学结构
三、卓越的实验结果与性能提升
研究团队系统研究了碳纳米管添加量对复合材料层间断裂韧性及面内力学性能的影响。实验结果表明，当碳纳米管质量分数为1.0wt%时，复合材料层间断裂韧性达到最优。
关键性能数据对比
- I型起始断裂韧性：1.23kJ/m²（提升51.85%）
- I型扩展断裂韧性：1.27kJ/m²（提升42.70%）
- II型层间断裂韧性：1.82kJ/m²（提升44.80%）
- 弯曲强度：1414MPa（提升11.68%）
- 层间剪切强度：64.78MPa（提升19.54%）
图3-(a)DCB测试和(b)ENF测试样品的示意图
图4- (a) 复合材料R曲线分析；(b) 不同碳纳米管含量增韧CF/PPESK复合材料的I型层间断裂性能
图5 -(a) 典型载荷-位移曲线；(b) ENF测试中的GⅡ（II型层间断裂韧性）
当碳纳米管含量低于或高于1.0wt%时，复合材料的性能均有所下降。特别是当碳纳米管含量增加到1.5wt%时，可能导致碳纳米管聚集，使ILSS和弯曲强度有所下降，但仍高于纯CF/PPESK。如图6
图6 -(a) 弯曲强度；(b) 层间剪切强度
四、微观机制揭示增韧原理
未改性复合材料的断面呈现大面积的纤维裸露和明显的纤维-树脂间隙。
引入碳纳米管后，纤维表面覆盖着大量树脂残留，界面结合明显改善。在II型断裂模式下，这一现象更为突出：引入碳纳米管的复合材料断面存在大量树脂残留，与纯CF/PPESK断面中清晰的界面缝隙形成鲜明对比。研究人员在断裂表面观察到了碳纳米管从基体中拔出后留下的孔洞，这表明碳纳米管通过桥联应力和拔出过程消耗了大量的断裂能量。同时观察到的微裂纹也表明，碳纳米管的引入使裂纹扩展路径变得更加复杂。
图7 -SEM图像：(a) CF/PPESK的DCB横截面，(b) CNTs/CF/PPESK的DCB横截面，(c, d) CF/PPESK的ENF横截面，(e, f) 1.0CNTs/CF/PPESK的ENF横截面，(g) 1.0CNTs/CF/PPESK中碳纳米管的拔出行为；裂纹扩展机制示意图：(h) CF/PPESK，(i) 1.0CNTs/CF/PPESK。
碳纳米管的物理锚定作用增强了纤维与树脂的界面粘结强度，迫使裂纹消耗更多能量以穿过树脂，而非简单地沿界面扩展。
五、工艺优势与潜在应用
与现有研究方法相比，这种两步溶液浸渍法具有显著优势。文献中通过在层间引入碳纳米管巴基纸的方法，其GIC的提升幅度约为20%。而本研究通过两步溶液浸渍法引入1.0wt%碳纳米管，实现了GIC提升超过50%的效果。
该方法工艺简便、易于实施，更在结构性能协同设计方面展现出独特优势。由于未增加整体树脂含量，复合材料的面内性能不仅未受损害，反而有所提升，这一点在工程应用中具有重要意义。
参考文献
程杉, 刘政辉, 王宁, 孙庆枫, 李楠, 蹇锡高. 基于两步溶液浸渍在碳纤维增强杂萘联苯聚芳醚砜酮复合材料层间引入碳纳米管及其层间增韧的研究.
高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2025.25258.
