Molecularly Bridged Gradient Interphases via Hyperbranched-Polyamide- Functionalized Porous CNT Networks in Glass-Fiber/Epoxy Composites
本研究提出了一种通过构建经超支化聚酰胺功能化的多孔碳纳米管网络，来增强玻璃纤维/环氧树脂复合材料的可扩展策略，旨在创建一个有效地桥接模量失配的化学耦合梯度界面层，从而显著提高界面强度、损伤容限及整体机械性能。
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强韧的材料通常依赖于一种简单的伙伴关系：由纤维构成的刚性骨架，以及一种被称为树脂的较软、具有粘性的胶水。这种组合创造了纤维增强复合材料，它们是现代工程领域的功臣，广泛应用于从飞机机翼到风力涡轮机叶片的各种领域。然而，最终物体的强度并不仅仅来自于纤维或胶水本身，而是来自于它们相遇处的那个隐形边界。如果这个边界过于尖锐或过于脆弱，两种材料就会相互对抗而非协同工作。当施加应力时，刚性的纤维和柔韧的胶水会在界面处分离，导致裂纹形成并引起材料失效。科学家面临的挑战是平滑这个交界点，创造一个渐变的过渡，使这两种截然不同的材料能够共同分担载荷而不发生断裂。
中国几所大学的研究人员开发出了一种构建这种平滑过渡的新方法，将一个尖锐的边缘转变为一个平缓的坡度。他们以玻璃纤维为基础，这种纤维天然光滑且刚硬，并在其表面涂覆了一层微小的碳纳米管网络。这些管子极其微小，以纳米计，它们被排列成在纤维表面形成的一种多孔、海绵状的层。这一层起到了桥梁的作用，但科学家们知道，要真正与周围的胶水连接起来，还需要更多的东西。随后，他们引入了一种特殊的分子，称为超支化聚酰胺。可以将这些分子想象成微小的三维树木，拥有许多灵活的分支和粘性的末端。研究人员将这些“分子树”化学地附着在碳纳米管网络上，使其灵活的分支能够向外延伸，并与最终将纤维粘合在一起的环氧树脂缠绕在一起。
结果是一种既有化学键合又有机械互锁作用的新型界面。碳纳米管提供了一个树脂可以渗入的刚性支架，而灵活的分子树则充当了缓冲垫，吸收应力并防止通常会导致裂纹产生的剧烈冲击。通过对单根纤维进行测试，团队发现这种新型涂层使玻璃纤维本身变得更强韧、更可靠，增加了它们在断裂前的拉伸能力。当他们测试完整的复合材料时，改进效果更为显著。纤维与胶水之间的结合力几乎增强了一倍，且材料抵抗侧向压力导致断裂的能力提高了百分之七十以上。该材料也变得更加坚韧，能够在失效前吸收更多的能量，这对于实际应用中的安全性至关重要。
为了准确理解其工作原理，研究人员利用强大的计算机模拟来观察分子的相互作用。他们观察到，新涂层创造了一个更宽阔的纤维与胶水混合区域，而非一条薄而尖锐的线。在数字模型中，灵活的分子分支使得界面能够在压力下进行拉伸和重组，从而延迟了材料最终分离的时刻。模拟证实，刚性碳管与柔性分子树的结合创造了一条让应力连续传递的路径，而不是导致失效的突然中断。这种方法表明，通过在微观层面精心设计化学结构，工程师可以创造出不仅更强韧，而且对日常磨损更具抗性的复合材料。这项工作为构建下一代高性能材料提供了实用的蓝图，证明了强韧的秘密往往在于部件之间连接的质量。
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