【摘 要】
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复合材料由于其轻质和高强等特点,在航空航天和汽车等领域快速发展。碳纤维（CF）增强热塑性（CFRTP）复合材料是追求轻量化过程中的热门材料。CF力学性能优异（高比刚度、比强度）,耐高温特性显著。热塑性工程塑料聚醚醚酮（PEEK）具有优异力学性能、高熔点和耐酸碱腐蚀等特点,其在CFRTP中应用备受关注。但CF和PEEK表面均呈惰性结构,导致二者间界面结合情况较差,弱化了CF/PEEK复合材料的整体性
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复合材料由于其轻质和高强等特点,在航空航天和汽车等领域快速发展。碳纤维（CF）增强热塑性（CFRTP）复合材料是追求轻量化过程中的热门材料。CF力学性能优异（高比刚度、比强度）,耐高温特性显著。热塑性工程塑料聚醚醚酮（PEEK）具有优异力学性能、高熔点和耐酸碱腐蚀等特点,其在CFRTP中应用备受关注。但CF和PEEK表面均呈惰性结构,导致二者间界面结合情况较差,弱化了CF/PEEK复合材料的整体性能,安全服役不确定性增加。上浆法是一种常见的界面改性手段,沉积在CF表面的上浆剂起桥接作用,既增强界面相互作用,又保证与基体相容,所以选取适用于CF/PEEK界面的上浆剂至关重要。此外,轻量化结构部件存在被低速低能物体冲击的风险,易造成不可见或微尺度损伤而降低结构稳定性。界面粘附优劣是决定CF/PEEK复合材料冲击损伤程度的重要因素之一。因此,围绕CF/PEEK复合材料的界面问题与力学性能展开研究对其在多领域安全服役具有重要意义。本文建立含有CF、PEEK和界面的代表性体积单元（RVE）,在不同载荷下研究界面强度对CF/PEEK复合材料等效性能的影响。基于RVE模拟预测的等效性能,建立宏观尺度的CF/PEEK复合材料[090]8层合板进行2 J和10 J的抗冲击模拟。模拟结果表明,提高界面强度将增大CF/PEEK复合材料等效性能,并抑制冲击过程中复合材料的层内与层间损伤。损伤形貌预测结果与试验结果相符。为改善CF/PEEK界面粘附,基于分子动力学模拟设计上浆剂分子体系。相容性和相互作用能计算结果表明,羟基化PEEK（HPEEK）和磷酸化PEEK（p-HPEEK）可有效增强CF/PEEK界面相互作用。HPEEK类上浆剂的弹性性能随多壁碳纳米管（MWCNT）的引入和共价键的形成而逐渐增大。与HPEEK相比,由HPEEK和MWCNT共价接枝的HPEEK-g-MWCNT的杨氏模量和剪切模量分别提高78.33%和42.95%,达到5.35 GPa和2.13 GPa。此外,共价键使HPEEK在MWCNT表面产生更强的相互作用,堆积更致密,迁移率更低。随HPEEK20-g-MWCNT上浆剂浓度增大,沉积在CF表面的HPEEK20-g-MWCNT越多,使CF表面变粗糙且活性提高,CF表面润湿性得到改善。此外,HPEEK20-g-MWCNT上浆过程有效保护CF单丝性能。上述因素共同作用导致HPEEK20-g-MWCNT改性CF/PEEK的界面剪切强度（IFSS）增大。当上浆剂浓度为1.0%时,IFSS提升50.8%,可达62.6 MPa。针对p-HPEEK30上浆剂,当p-HPEEK30浓度为0.5%和Triton X-100浓度为1.5%时,p-HPEEK30在水中分散稳定性最佳,可稳定分散超过1个月。p-HPEEK30上浆过程引起CF表面粗糙度增大,致使表面能色散分量提高,最终引起润湿性的改善。上浆剂浓度为0.5%的p-HPEEK30改性CF/PEEK的IFSS提升27.2%,达到52.8 MPa。力学性能测试结果证实,HPEEK20-g-MWCNT的最佳上浆剂浓度为0.7%,此时改性CF/PEEK复合材料层间剪切强度（ILSS）和弯曲强度分别提高73.0%和163.2%,达到84.7 MPa和906.2 MPa。针对p-HPEEK30上浆剂,0.5%为最佳上浆剂浓度,此时CF/PEEK复合材料的ILSS和弯曲强度分别提高55.2%和41.2%。改性CF/PEEK复合材料的损伤模式均从界面脱粘和纤维拔出转变为纤维与基体的断裂。
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