導(dǎo)讀：熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件在厚度方向上的力學(xué)性能不足以滿足航空航天等領(lǐng)域作為傳統(tǒng)常規(guī)金屬結(jié)構(gòu)材料替代品的要求，限制了其在相關(guān)結(jié)構(gòu)器件中的應(yīng)用。本文從提高纖維與樹脂的界面性能和層間樹脂富集區(qū)的性能兩個方面對提高熱塑性復(fù)合材料層間力學(xué)性能的方法進(jìn)行了綜述，并在其中詳細(xì)介紹了氧化、等離子體、射線輻照、施膠劑、碳納米管等纖維表面改性方法。同時，本文討論了不同的成形工藝以及碳納米管和巴克紙作為增強劑對層間樹脂富集區(qū)的力學(xué)性能的影響。然后對每種方法的優(yōu)缺點進(jìn)行了總結(jié)和分析，并展望了進(jìn)一步提高熱塑性復(fù)合材料層間力學(xué)性能的研究方向。

纖維增強樹脂基復(fù)合材料以其獨特的高比強度、比剛度、輕量化等特點被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域。根據(jù)樹脂基體的不同，它們又被分為熱固性和熱塑性復(fù)合材料。由于熱固性復(fù)合材料的研究較早，其應(yīng)用也相對成熟。但熱固性復(fù)合材料的缺點是不能回收利用，造成了嚴(yán)重的環(huán)境和成本效益問題。與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料具有斷裂韌性高、抗沖擊性強、可循環(huán)利用、生產(chǎn)效率高、儲存期無限長、焊接修復(fù)方便等優(yōu)點，是未來航天結(jié)構(gòu)的首選材料。

雖然纖維增強樹脂基復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料相比具有質(zhì)輕、強度高的特點，但復(fù)合材料層合板優(yōu)異的力學(xué)性能主要取決于其層間粘合性能。此外，復(fù)合材料層間性能遠(yuǎn)低于其面內(nèi)性能。當(dāng)層合板受到外力作用時，微裂紋出現(xiàn)在層合板最薄弱的位置上。此外，由于微裂紋的邊緣效應(yīng)，容易發(fā)生分層失效。因此，分層成為層合結(jié)構(gòu)的主要損傷形式。分層損傷會顯著降低層合板的強度和剛度，甚至對結(jié)構(gòu)造成災(zāi)難性損傷，對結(jié)構(gòu)的完整性和安全性極為不利，嚴(yán)重限制了復(fù)合材料在承重結(jié)構(gòu)裝置中的應(yīng)用。

通常，熱塑性復(fù)合材料部件的成型過程包括兩個步驟:熱塑性預(yù)浸料的制備和熱塑性層壓板的制備。因此，造成層間力學(xué)性能較差的主要原因有兩個:一是熱塑性預(yù)浸料纖維與樹脂之間界面結(jié)合性能較差，二是熱塑性層板層間無纖維增強的富樹脂區(qū)。相關(guān)學(xué)者針對研究較為成熟的熱固性復(fù)合材料設(shè)計了多種方法來解決上述兩個問題。對于第一個問題，通過對纖維表面進(jìn)行改性，如熱處理、氧化處理、等離子體處理、高能射線照射處理、施膠劑處理、碳納米管(CNTs)增強等，可以提高纖維與樹脂的界面結(jié)合性能。針對第二問題，通過增韌樹脂基體來提高層合板的沖擊損傷和抗分層性能。此外，在層間富樹脂區(qū)加入厚度定向增強策略也可以有效降低分層損傷，如三維編織，縫合，Z-pinning技術(shù)，以及CNTs增強。熱塑性復(fù)合材料層合板也存在層間力學(xué)性能差的缺陷。然而，由于熱塑性復(fù)合材料熔點高、粘度大，因此相對于熱固性復(fù)合材料而言，提高其抗分層性能的文獻(xiàn)相對較少，這給成型制造帶來了很大的挑戰(zhàn)。

本文中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫守政團隊從提高纖維與樹脂的界面性能和提高富層間樹脂區(qū)的性能兩個方面綜述了提高熱塑性復(fù)合材料層間力學(xué)性能的方法，并總結(jié)了不同加固方法的優(yōu)缺點。最后，對進(jìn)一步增強熱塑性復(fù)合材料層間力學(xué)性能的研究方向進(jìn)行了展望。

相關(guān)研究成果以題“Review of methods for enhancing interlaminar mechanical properties of fiber-reinforced thermoplastic composites: Interfacial modification, nano-filling and forming technology”發(fā)表在Composites Science and Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026635382200402X

各方法提高纖維增強熱塑性復(fù)合材料層間力學(xué)性能各有優(yōu)缺點。改善纖維與熱塑性樹脂界面結(jié)合性能的方法主要有纖維表面氧化處理、等離子體處理、射線照射處理、施膠劑處理和CNTs處理。其中，氧化處理、等離子體處理、輻射輻照處理均能有效改善纖維表面粗糙度，增加含氧極性官能團。并且有利于促進(jìn)纖維與樹脂基體之間形成機械咬合和化學(xué)結(jié)合，從而提高纖維與樹脂之間的界面結(jié)合性能(這些方法的強化機理與提高熱固性復(fù)合材料界面性能的強化機理相同)。然而，氧化處理、等離子體處理和輻射照射會嚴(yán)重破壞纖維本身的力學(xué)性能，降低復(fù)合材料的其他面內(nèi)力學(xué)性能。

圖1所示為CF表面氧化修飾:(a)氣相氧化，(a1)臭氧處理CF的XPS C1s光譜，(a2)界面剪切強度;(b)液相氧化，(b1) CF的FTIR光譜和微觀形貌，(b2)層間剪切強度和彎曲強度;(c)陽極氧化，(c1)拉伸強度和模量，(c2)拉伸斷口表面形貌。

圖2所示為CF 表面的等離子體改性：(a) CF表面的 AFM 圖像；(b) CF表面的XPS C1s光譜；(c) 機械性能。

纖維表面施膠劑處理和CNTs處理可以避免犧牲纖維本身的力學(xué)性能。但與熱固性復(fù)合材料不同的是，施膠劑需要考慮與熱塑性樹脂基體的相容性，而CNTs則需要考慮熱塑性樹脂的分散性和粘度。熱塑性施膠劑主要包括溶劑型施膠劑、水溶性施膠劑和乳化型施膠劑。溶劑型施膠劑需要合適的溶劑來溶解熱塑性樹脂，從而形成熱塑性施膠劑。

圖3所示為CF/PEEK復(fù)合材料用PEEK施膠劑：(a)施膠CF表面示意圖；(b) CF 表面的 FTIR 光譜；(c) 層間剪切強度。

圖4所示為CF/PEEK復(fù)合材料用PI施膠劑：(a)施膠CF表面示意圖；(b) CF 表面的微觀形貌；(c) CF表面的 FTIR 光譜；(c) 層間剪切強度和彎曲強度。

圖5 所示為CF/PEEK復(fù)合材料用PEKK施膠劑：(a)施膠CF表面示意圖；(b) CF表面的 FTIR 光譜；(c)層間剪切強度和彎曲強度。

圖6所示為在CF表面添加CNTs的方法:(a)化學(xué)接枝;(b)化學(xué)氣相沉積;(c)電泳沉積。

圖7所示為熱塑性層壓板的成型方法和層壓板的微觀形貌：（a）真空袋；(b)熱壓；(c)高壓釜；(d)自動纖維放置；(e-f) CF/PEEK 層壓板的顯微截面形態(tài)。

圖8所示為嵌入PEEK復(fù)合材料之間的 CNTs：(a) CF/CNTs/PEI/PEEK層壓板的成型示意圖；(b) CF表面的微觀形貌；(c) 層間剪切強度和彎曲強度。

圖9所示為嵌入 PEEK 復(fù)合材料之間的CNT 紙：(a) CNT/PEEK 復(fù)合材料的成型示意圖；(b) CNT紙的表面形貌；(c) CNT/PEEK復(fù)合材料的橫截面形貌；(d) 抗拉強度和楊氏模量。

然而，大多數(shù)熱塑性樹脂的溶劑很難找到，因此利用合成的預(yù)聚體和改性基樹脂來促進(jìn)熱塑性樹脂的溶解度，制備出滿足要求的施膠劑。此外，溶劑的揮發(fā)會造成環(huán)境污染，對人體有害。水溶性施膠劑可以解決溶劑型施膠劑的一些危害和缺點，減少對環(huán)境的污染。然而，大多數(shù)聚合物難以溶于水，使其應(yīng)用受到很大限制。與水溶性施膠劑相比，乳化型施膠劑具有表面張力低、滲透率高、浸漬時間短、施膠穩(wěn)定性好等優(yōu)點。CNTs處理不僅增加了纖維的表面粗糙度，而且功能化的d CNTs還能與樹脂基體形成化學(xué)鍵。此外，CNTs處理還可以與其他幾種纖維表面處理相結(jié)合，進(jìn)一步提高纖維與樹脂的界面結(jié)合性能。