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《Nature》前沿推荐：埃洛石纳米管增强碳纤维环氧复合材料性能研究解析

科研小僧

2025-09-05

埃洛石纳米管改性碳纤维环氧复合材料性能研究

0.75wt.% HNT添加量实现综合性能最优

碳纤维环氧复合材料（CF-Ep）因其高强度重量比、优异刚度和热稳定性，广泛应用于高端工程领域。然而，其界面结合弱、耐磨性不足等问题限制了进一步应用。埃洛石纳米管（HNT）作为一种天然铝硅酸盐矿物，具备低成本、高长径比及表面可功能化等优势，成为理想的纳米改性材料。本研究通过系统优化HNT含量与制备工艺，显著提升了CF-Ep的综合性能。

工艺创新：采用超声辅助分散（20kHz，40min）结合真空袋压成型，有效抑制HNT团聚，实现其在环氧基体中的均匀分布。
系统性性能分析：首次全面评估HNT含量（0–2.75wt.%）对CF-Ep力学、热学及摩擦学性能的协同影响，并建立成分-性能关联模型。
科学优化方法：结合田口方法（L16正交阵列）与方差分析（ANOVA），量化载荷、磨损距离与HNT含量对磨损体积损失的影响权重，明确关键交互作用，为工程参数设定提供依据。

材料体系：基体为亨斯迈Araldite LY1564环氧树脂与Aradur 22962固化剂（100:25），增强体为东丽T800双向碳纤维（2×2斜纹编织），纤维/基体质量比60:40。HNT纯度98%，密度2.29g/cm³，由Sigma Aldrich提供；磨损测试使用212μm石英砂。

制备工艺：HNT与环氧树脂混合后经超声分散（水浴，20kHz，40min）避免热降解，随后采用手糊法铺层并真空袋压成型（1atm），室温固化24h，再于90–100℃烘箱中固化60min，制得尺寸为300mm×215mm×4mm的层合板。设置四组HNT含量：0、0.75、1.75、2.75wt.%，分别标记为CF-Ep、H0.75%、H1.75%、H2.75%。

测试类别	测试项目	标准 / 仪器	关键参数
力学性能	拉伸强度 / 模量	ASTM D638，万能试验机（100kN）	十字头速度 10mm/min
	弯曲强度 / 模量	ASTM D790，三点弯曲法	十字头速度 5mm/min
	层间剪切强度（ILSS）	ASTM D2344，三点弯曲法	十字头速度 2.5mm/min
	硬度	ASTM D2240，肖氏 D 硬度计	—
热学性能	差示扫描量热（DSC）	ASTM D3418，DSC 6000 Pyris 6	升温范围 30–440℃，速率 10℃/min（氮气）
	动态力学分析（DMA）	ASTM D7028，TA Q800 DMA	三点弯曲夹具，1Hz，-50–250℃（5℃/min）
	热重分析（TGA）	热重分析仪	升温范围 100–600℃，记录重量损失率
摩擦学性能	三体磨损（TBA）	ASTM G65，干砂橡胶轮磨损仪	载荷 10–40N，滑动速度 2.38m/s，距离 250–1000m
	干滑动磨损（DSFW）	ASTM G99，销盘摩擦磨损仪	载荷 60N，滑动速度 3m/s，距离 1000–3000m
微观表征	SEM/EDAX	JEOL JSM-6390 SEM	加速电压 10–20kV，观察断面与磨损形貌
	FTIR	ASTM D5477，PerkinElmer Spectrum	波数范围 4000–450cm⁻¹，表征官能团反应
实验优化	磨损参数优化	田口方法 + ANOVA	MINITAB 17，95%置信水平，分析L、D、F对WVL影响

力学性能：0.75wt.% HNT为最优临界点。H0.75%拉伸强度达820MPa（+17.9%），模量27GPa（+37%）；弯曲强度提升29%，模量提升34%；ILSS提高28%。超过0.75wt.%后因团聚导致性能下降，H2.75%拉伸强度仅540MPa（低于纯CF-Ep的680MPa）。H1.75%硬度最高（肖氏D 79，+19.3%），但高含量下微空隙与界面脱粘显著削弱整体力学性能。

热学性能：H0.75%和H1.75%初始降解温度提升至320–325℃（纯CF-Ep为150℃），归因于HNT形成的热屏障效应；H2.75%因团聚缺陷导致热稳定性下降。DMA显示H0.75%储能模量（E'）最高，刚度最优；玻璃化转变温度（Tg）从纯CF-Ep的97.07℃降至89℃，但阻尼因子（tanδ）升高，表明HNT降低交联密度的同时增强能量耗散能力，更适用于抗振场景。DSC与FTIR证实H0.75%固化更完全，且HNT与环氧基体形成氢键作用。

摩擦学性能：H0.75%表现出最低磨损与摩擦系数。三体磨损（TBA）下磨损体积损失（WVL）为0.11–0.325×10³mm³，比磨损率（SWR）低至1.1×10⁻¹⁴m³/(N·m)，优于纯CF-Ep（SWR 1.7×10⁻¹⁴）。干滑动磨损（DSFW）中摩擦系数为0.19–0.225，WVL仅0.00325–0.0052×10³mm³，SEM显示磨损表面损伤最小，形成连续保护性摩擦层。ANOVA分析表明，载荷+距离（41.80%）和载荷+填料（30.15%）是影响WVL的主要交互因素，单因素中磨损距离（7.66%）>载荷（6.61%）>HNT含量（3.48%）。回归模型（调整R²=89.75%）可精准预测磨损行为。

微观机制：SEM与EDAX分析揭示，H0.75%中HNT均匀分散，纤维-基体界面结合良好，断裂以纤维断裂为主，磨损表面形成致密摩擦层；而H1.75%和H2.75%中HNT明显团聚，形成应力集中点，导致界面脱粘、纤维拔出增多，团聚体脱落加剧磨损。Al+Si元素含量（EDAX）随HNT添加量上升，证实≤0.75wt.%时分散效果最佳，超过则超出超声分散能力。

核心结论：0.75wt.% HNT填充的CF-Ep复合材料综合性能最优，力学、热稳定性和耐磨性均显著提升；1.75wt.%仅硬度最佳；2.75wt.%因严重团聚导致所有性能下降。HNT通过氢键增强界面、管状结构传递载荷与偏转裂纹、形成保护摩擦层三方面改善性能。超声分散+真空袋压是关键工艺，推荐三体磨损工况下使用30N载荷、1000m距离、0.75wt.% HNT。

应用前景：该材料适用于电厂溜槽、汽车衬里、航空航天结构件等高耐磨、耐热、轻量化场景。未来可探索HNT表面改性或与其他纳米填料（如石墨烯）复合，进一步提升界面性能，拓展至极端环境应用。本研究为天然纳米填料在复合材料中的规模化应用提供了新路径，兼具学术价值与工程意义。

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