通过电泳沉积羧基功能化石墨烯于碳纤维表面，提高碳纤维环氧复合材料的抗颗粒侵蚀性能

碳纤维复合材料通过电泳沉积G-COOH纳米片增强界面，显著提升抗沙蚀性能，0.15wt%在30°和60°角最佳，1.1wt%在90°角最优，机理涉及界面厚度增加和失效模式转变。

　　

摘要

碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料具有较高的比强度和刚性，适用于直升机旋翼叶片、高速车辆、导弹部件和无人机（UAV）等应用。在这些应用中，可能会遇到严重的沙粒侵蚀情况，因此需要提高CFRP的耐侵蚀性能，使用强纳米填料有助于实现这一目标。在本研究中，采用有效的电泳沉积技术对碳纤维-环氧树脂界面进行了改性，改性的程度通过不同含量的羧基化石墨烯（G-COOH，相对于碳纤维重量的比例分别为0.15%、0.53%、0.8%和1.1%）来实现，并通过X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy）验证了沉积效果。改性的碳纤维织物通过真空辅助树脂转移模塑（VARTM）技术用于复合材料的制备。所有经过G-COOH改性的碳纤维复合材料在30°、60°和90°角度下的侵蚀磨损率均低于原始碳纤维（PCF）复合材料。其中，含0.15% G-COOH的碳纤维复合材料在30°（28%）和60°（13%）冲击角度下表现出最高的耐侵蚀性能；而含1.1% G-COOH的碳纤维复合材料在90°冲击角度下表现出最高的耐侵蚀性能和最低的磨损率（12%）。原始碳纤维复合材料在60°和90°冲击角度下的耐侵蚀性能最差；含0.8% G-COOH的复合材料在所有角度下的磨损率最低，但在30°冲击角度下的磨损率最高（15%）。Al₂O₃侵蚀颗粒主要沉积在样品的90°角度处，尤其是在富含环氧树脂的区域。通过扫描电子显微镜（SEM）分析了沉积形态和侵蚀失效机制，而复合材料内部的G-COOH沉积形态则通过聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）进行观察。利用能量分散X射线光谱（EDS）测量了界面层的厚度，并通过拉曼强度映射确定了界面层中的G-COOH存在。对侵蚀表面的EDS区域分析表明，Al₂O₃颗粒在较高角度下的数量更多，这一趋势在G-COOH改性的复合材料中同样存在。此外，G-COOH改性的复合材料表现出多种主要的失效机制，如纤维粘附断裂、界面层断裂或G-COOH粘附以及G-COOH/环氧树脂簇的脱粘；而原始碳纤维复合材料的主要失效机制则是纤维脱粘、基体断裂和纤维断裂。

亮点

• 针对0.15%、0.53%、0.8%和1.1% G-COOH的含量，采用了最佳的电泳沉积（EPD）参数。
• 含有G-COOH/Mg(OH)₂/MgO的碳纤维复合材料具有更厚的界面层。
• 所有经过EPD改性的复合材料在30°、60°和90°角度下的耐侵蚀性能均得到提升。
• 含0.15% G-COOH的复合材料表现出最高的耐侵蚀性能。
• 含1.1% G-COOH的复合材料在90°角度下表现出最高的耐侵蚀性能。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性声明

本研究的数据可应合理要求向通讯作者索取。