聚醚酰亚胺纳米纤维膜同步改善VARI成型CF/EP复合材料层间韧性和面内力学性能

阳泽濠, 宁博, 陈正国, 徐学宏, 刘卫平, 薛怿, 刘勇, 张辉, 俞建勇

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材料工程 ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (2) : 202-212. DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2023.000430
研究论文

聚醚酰亚胺纳米纤维膜同步改善VARI成型CF/EP复合材料层间韧性和面内力学性能

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Polyetherimide nanofiber membranes imultaneously enhance interlaminar toughness and in-plane mechanical properties of CF/EP composites prepared by VARI process

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摘要

研究了静电纺聚醚酰亚胺（PEI）纳米纤维膜对真空辅助树脂灌注（VARI）成型碳纤维/环氧树脂（CF/EP）复合材料层间韧性和面内力学性能的影响规律及其内在微观机制。研究发现，PEI纳米纤维膜与环氧树脂浸渍性良好且不影响树脂流动，适用于灌注温度为70 ℃且灌注时间小于30 min的VARI成型工艺，在120 ℃的环氧树脂固化温度下6 min内完全溶解。PEI纳米纤维膜的引入可同时改善CF/EP复合材料的层间韧性和面内力学性能，15 g/m2的PEI纳米纤维膜可以使CF/EP 复合材料的Ⅰ型层间断裂韧度、Ⅱ型层间断裂韧度和层间剪切强度分别提升55.1%，65.4%和12.2%，20 g/m2的PEI纳米纤维膜使CF/EP复合材料的弯曲强度和模量分别提高了10.6%和9.3%，10 g/m2的PEI纳米纤维膜使压缩强度和压缩模量分别增加24.3%和18.9%。PEI纳米纤维膜通过原位溶解和环氧树脂固化诱导相分离，在CF/EP复合材料层间形成均匀分布的PEI/环氧树脂两相结构，提高了复合材料层间裂纹的扩展阻力和层间树脂基体的载荷转移能力，可能是复合材料层间韧性和面内力学性能得到改善的原因。

Abstract

This study investigates the influence and underlying microstructural mechanisms of electrospun polyetherimide （PEI） nanofiber membranes on the interlaminar toughness and in-plane mechanical properties of vacuum-assisted resin infusion （VARI） process molded carbon fiber/epoxy （CF/EP） composites. It is founded that PEI nanofiber membranes exhibit good wettability with epoxy resin and do not impede resin flow. PEI nanofiber membranes are suitable for the VARI process under the conditions of a 70 ℃ resin infusion temperature and infusion time less than 30 min. Furthermore， they are dissolved completely within 6 minutes at the resin curing temperature of 120 ℃. Incorporation of PEI nanofiber membranes enhances the interlaminar toughness and in-plane mechanical properties of CF/EP composites. Interleaving 15 g/m2 PEI nanofiber membrane in CF/EP composites increases the mode Ⅰ interlaminar fracture toughness， mode Ⅱ interlaminar fracture toughness， and interlaminar shear strength by 55.1%， 65.4%， and 12.2%， respectively. Introducting a 20 g/m2 PEI nanofiber membrane in CF/EP composites enhances the flexural strength and modulus by 10.6% and 9.3%， respectively. Moreover， adopting a 10 g/m2 PEI nanofiber membrane enhances the compression strength and modulus of CF/EP composites by 24.3% and 18.9%， respectively. The in-situ dissolution of PEI nanofiber membranes and the reaction induce phase separation during epoxy resin curing lead to a homogeneous PEI/epoxy resin bi-phase structure in the interlaminar region of CF/EP composites. These structures enhance the resistance to crack propagation and the load transfer capability of the interlaminar resin matrix， probably improvement in interlaminar toughness and in-plane mechanical properties of CF/EP composites.

关键词

碳纤维增强环氧树脂基复合材料 / 真空辅助树脂灌注 / 聚醚酰亚胺 / 纳米纤维膜 / 层间韧性 / 面内力学性能

Key words

carbon fiber reinforced epoxy matrix composite / vacuum-assisted resin infusion / polyetherimide / nanofiber membrane / interlaminar toughness / in-plane mechanical property

中图分类号

TB332

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阳泽濠 , 宁博 , 陈正国 , 等. 聚醚酰亚胺纳米纤维膜同步改善VARI成型CF/EP复合材料层间韧性和面内力学性能. 材料工程. 2025, 53(2): 202-212 https://doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2023.000430
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基金

国家重点研发计划项目(2022YFB3709202)
上海市科委科技创新行动计划高新技术领域项目(20511107300)
上海市扬帆计划项目(19YF1417000)
国家商用飞机制造工程技术研究中心创新基金项目(COMAC-SFGS-2020-1156)

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