劉玉婷，李 璐，王嘉沛，費瀅潔，劉牛頓，吳剛平,

（1.中國科學院山西煤炭化學研究所，碳纖維制備技術國家工程實驗室，山西 太原 030001；2.中國科學院大學，材料與光電研究中心，北京 100049；3.中國科學院山西煤炭化學研究所，炭材料重點實驗室，山西 太原 030001；4.太原理工大學 化學化工學院，山西 太原 030024）

1 前言

炭纖維（CF）具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、力學性能良好等優(yōu)點，廣泛應用于航天航空、運動休閑、工業(yè)應用等領域[1–3]。近年來，熱塑性樹脂復合材料（CFRTP）因其成本低、沖擊韌性好、成型周期短、可二次加工、維修方便等優(yōu)勢得到了廣泛關注[4,5]，但相對于熱固性樹脂，熱塑性樹脂活性官能團更少，熔融黏度大，對纖維浸潤性差，界面結合性也更差，其復合材料層合板結構良好的物理力學性能主要體現(xiàn)在軸向方向上，而面外性能及層間性能較差[6,7]。因此，常通過纖維表面改性來改善與樹脂的浸潤性和結合性[8,9]。

碳納米管（CNTs）具有優(yōu)異的機械性能，是理想的增強增韌材料[10,11]。但由于基體樹脂黏度大，CNTs 分散性極差導致增強效果不佳[12]。諸多研究者采用CNTs 上漿劑的方式實現(xiàn)CNTs 對復合材料界面增強，從而改善復合材料綜合力學性能。劉杰等[13]研究了磺化聚醚砜上漿劑對炭纖維/聚醚砜復合材料界面性能的影響，層間剪切強度可提高24%；曹莉娟等[14]采用CNTs 乳液上漿劑改善環(huán)氧樹脂基復合材料，炭纖維表面粗糙度明顯增加，界面剪切強度提高14.7%；Liu 等[15]研究熱塑性塑料（酞嗪酮）樹脂作為炭纖維的漿料劑，構筑炭纖維/酞嗪酮樹脂復合體系，界面剪切強度增加了76.4%。

為改善炭纖維增強聚碳酸酯復合材料（CF/PC）的界面結合性，筆者制備了含CNTs 的水性乳液上漿劑，對CF 單絲和束絲分別進行上漿處理，采用單絲段裂法和定向纖維增強聚合物基復合材料拉伸性能測試法從微觀和宏觀兩個角度分析上漿劑和CNTs 對CF/PC 界面結合性能。

2 實驗部分

2.1 原材料及主要儀器設備

原材料：多壁碳納米管（MWCNTs，長度＞2 μm，直徑10～30 nm，純度＞97%），深圳納米港有限公司；T300 炭纖維，中國科學院山西煤炭化學研究所；水性聚碳酸酯（WPC）乳液（固含量32%，麥可門有限公司）；聚丙烯酸（PAA，50%水溶液），阿拉丁有限公司；其他試劑：分析純。

主要設備：微機控制電子式萬能試驗機（WDW-T2）和微機控制電子式萬能試驗機（WDW-20E），濟南時代試金試驗機有限公司；電子單纖維強力機，溫州方圓儀器有限公司；偏光顯微鏡（XPV-25C）；動態(tài)接觸角/表面張力測量儀（DCAT21），Dataphysics；智能真空熱壓機（HBSCR-25T/350V），青島華博機械科技有限公司。

2.2 實驗方法

2.2.1 MWCNTs 預處理

在制備CNTs 上漿劑時，CNTs 的分散是關鍵問題。為改善碳納米管在水性乳液中的分散性，采用硝酸酸化處理C N T s，利用濃硝酸處理MWCNTs 引入含氧官能團[16,17]。酸處理過程：按照mMWCNTs：V濃硝酸=1 g∶60 mL 比例依次將CNTs和濃硝酸加入燒瓶，加熱至120 ℃回流處理8 h，冷卻至室溫稀釋過濾，反復水洗至中性，真空干燥并研磨備用。

2.2.2 炭纖維表面處理

炭纖維表面處理包括含CNTs 上漿劑的制備和炭纖維表面上漿處理，流程示意見圖1。

首先通過表面活性劑（mMWCNTs：mPAA=1∶2）結合砂磨和高能超聲（900 W）分散工藝處理CNTs，經(jīng)離心（1 400 g，20 min）除去團聚體得到穩(wěn)定分散液；然后按比例取CNTs 分散液、乳液（水性聚氨酯乳液WPU、水性聚碳酸酯乳液WPC）和適量去離子水均勻混合，配制不同CNTs 含量的上漿劑（PC 固含量為3 wt.%，CNTs 含量分別為0.05 wt.%,0.1 wt.%,0.2 wt.%,0.3 wt.%）。

如圖1 所示，炭纖維表面上漿處理包括單絲上漿和束絲上漿。單絲上漿工藝是：裁剪100 ×80 mm2的中空塑料框，利用氣流作用將炭纖維束開纖至寬度10 mm 左右，將炭纖維單絲沿著框長度方向均勻地粘于框邊，通過浸漬工藝對單絲上漿后，鼓風干燥箱中80 ℃干燥12 h 得到上漿炭纖維單絲。束絲上漿工藝是炭纖維絲束導絲輥進入上漿液浸潤上漿，隨后鼓風干燥箱中80 ℃干燥12 h 得到上漿炭纖維束絲。（文中不同上漿工藝處理炭纖維標識如下：CF 原始炭纖維，CFx表示上漿后炭纖維（x為碳納米管的含量對應數(shù)值，取值分別為0，0.05，0.1，0.2，0.3）。

2.2.3 復合材料試樣的制備

單絲復合材料：取厚度為0.25 mm 的PC 膜兩塊，將炭纖維單絲平行鋪在一片膜上，為保證纖維呈拉直狀態(tài)，先將纖維的一段用PC 溶液固定，并用質(zhì)量很輕的金屬夾具給垂直力，用同樣的方法將炭纖維的另一端固定，最后將另一片PC 膜覆蓋在上面，進行熱壓。熱壓工藝為：220 ℃預熱15 min，1.5 MPa 反復卸壓加壓1 min 去除氣泡后保溫保壓5 min，冷卻至室溫，脫模得到單絲復合材料樣板。

束絲復合材料：取CF 絲束等距平行放置于PC 薄板（1.15 mm）間形成“三明治”結構，真空氛圍下經(jīng)熱壓機工藝：210 ℃、1.5 MPa 保溫保壓6 min+3 min+3 min，程序間隔換氣，保壓冷卻至室溫，脫模得到束絲復合材料樣板。

2.2.4 纖維表面浸潤性評價

通過改進的Wilhelmy 法測量動態(tài)接觸角對炭纖維表面能及表面浸潤性進行評價。由于纖維束絲測量受毛細作用影響大，測量準確性低。使用DCAT21 動態(tài)接觸角測量儀測量單絲動態(tài)接觸，纖維比較柔軟，力微小，為減小誤差，取用4 根纖維單絲?；贒CAT21 表面/界面張力儀天平中Wilhelmy 法和力學分析法，通過上下升降器使纖維與液體接觸與分離，通過微量電子天平測量纖維浸入和離開液體過程中的受力變化情況，借助圖形輸出器得到纖維的受力曲線，再根據(jù)力學平衡公式推算動態(tài)接觸角。保持四根單絲平行放置一端固定，纖維端頭露出5 mm 左右，確保四根纖維自由端頭平齊，可同時接觸液面而不發(fā)生彎曲，不同單纖維之間避免相互干擾。動態(tài)接觸角的檢測限位為0.20 mg，前進浸潤速度為0.01 mm s?1，炭纖維浸入液體的深度為3 mm，后退速度為0.05 mm s?1。為提高所測數(shù)據(jù)準確性，同一樣品纖維與任一浸潤液的接觸角數(shù)值測量15 個以上有效數(shù)據(jù)，計算平均值。

2.2.5 纖維力學性能評價

纖維力學性能通過單絲拉伸法評價。以跨距為20 mm 的中空矩形紙框為固定模板，將炭纖維單絲兩端固定于紙框邊上。采用電子單纖維強力機測試單絲纖維的拉伸強度，拉伸速度為0.5 mm min?1，每組有效數(shù)據(jù)不低于50 個。并對測試結果進行離散性分布評價，炭纖維為脆性材料，單根纖維強度服從Weibull 分布[18]：

式中，F(xiàn)(σ)為應力≤σ斷裂概率，L0為測試時纖維標距，σ0為對應標距下特征強度值，m為炭纖維韋伯模量（形狀參數(shù)）。不同標距纖維特征強度值滿足：

2.2.6 復合材料界面性能評價

采用單絲段裂法和定向纖維增強復合材料進行纖維垂直方向拉伸斷裂法（以下簡稱為90°拉伸）兩種方法評價炭纖維復合材料界面性能。

單絲段裂法[18–20]從微觀角度評價單絲復合材料界面結合，將單絲復合材料裁剪成標距為40 mm 的啞鈴型試樣（圖2），保證纖維單絲處于軸線，周圍為PC 基體樹脂。拉伸速率為0.1 mm min?1，應力通過纖維與基體之間的界面區(qū)從基體傳遞到纖維。由于預埋纖維的破壞應變遠低于PC 基體，纖維在基體前斷裂，拉伸至纖維達到飽和斷裂狀態(tài)后，使用偏光顯微鏡和照相機，可以觀察到纖維斷裂、界面脫黏、基體開裂以及由此產(chǎn)生的光彈性或雙折射等現(xiàn)象，根據(jù)Kelly-Tyson模型[18]，計算界面結合強度，具體公式如（3）：

圖2 樣品及受力示意圖：單絲段裂法（左）；90°拉伸（右）（尺寸單位：mm）Fig.2 The diagram of sample for single filament split method (left);transvers tensile (right) (size in mm).

其中l(wèi)c是臨界斷裂長度；σ(lc)為臨界斷裂長度的纖維強度（GPa）；τ界面結合強度（GPa）；d是纖維直徑。

定向纖維增強復合材料進行纖維垂直方向拉伸斷裂法從宏觀角度評價纖維與樹脂的結合強度，依據(jù)標準為GB/T3354-2014，加載速度設定為2 mm min?1，每個樣品至少8 組有效數(shù)據(jù)。

3 結果和討論

3.1 上漿劑對炭纖維表面元素含量的影響

通過X 射線光電子能譜（XPS）表征上漿前后炭纖維表面化學元素變化，并在此基礎上進行C 1s 窄掃并分峰擬合（圖3）。XPS 廣譜可以直觀看出表面化學元素的變化：WPU 上漿劑處理后，表面O、N 元素都明顯增加；WPC 上漿劑處理后，表面O 元素含量明顯增加。為了進一步研究表面化學組成的變化，對C 1s 窄掃并分峰擬合得出引入含氧官能團種類及含量（表1），WPU 上漿劑處理后的纖維表面引入的含氧官能團主要是C―O、C＝O 和O―C＝O，WPC 處理后主要引入含氧官能團為C―O、O―C＝O 和O―C(O)―O。這些含氧官能團的引入為下一步與樹脂良好相容性和界面結合提供了基礎。

表1 上漿劑處理前后炭纖維表面官能團種類及含量Table 1 The species and contents of functional groups on carbon fiber before and after sizing.

圖3 上漿劑處理前后炭纖維表面XPS 光譜（上）及C 1s 窄掃并分峰擬合結果（下）Fig.3 XPS spectra of carbon fiber surface (up) and C 1s narrow sweep and peak-splitting fitting results (down) before and after sizing.

3.2 上漿劑及碳納米管對炭纖維表面形貌的影響

炭纖維表面微觀形貌的變化通過掃描電子顯微鏡（SEM）照片（圖4）和表面粗糙度（表2）來表征。由于T300 炭纖維成型工藝，未上漿的CF 表面具有明顯的凹槽，上漿部分填充溝槽，溝槽略變淺，表面粗糙度降低；對于WPU 上漿劑和WPC 上漿劑，二者的表面微觀形貌無明顯差異。當上漿劑中含有CNTs 時，CNTs 隨上漿劑附著于纖維表面，且隨著含量增加，表面附著量越大。對比SEM 照片，當碳納米管含量較少，無明顯差異，當碳納米管含量提高，WPU 上漿劑處理的CF 表面形貌更均一，而WPC 上漿劑表面存在蚯蚓狀凸痕和局部微小團聚，圖3i 尤其明顯；對比粗糙度結果可以發(fā)現(xiàn)WPU 處理的纖維表面粗糙度相對較小，這一點可以歸因于PU 乳液的成膜性更好[21]。當CNTs 含量過大，容易形成團聚體，即使對于成膜性較好的WPU 上漿劑也無法形成均勻的上漿層（圖3f），對應的表面粗糙度也顯著增加。

表2 通過原子力顯微鏡測得炭纖維表面粗糙度Ra (nm)Table 2 The surface roughness of CFs via AFM Ra (nm).

圖4 SEM 照片：(a) 未上漿炭纖維CF；(b～f) PU 上漿劑處理纖維，依次為CF0，CF0.05，CF0.1，CF0.2，CF0.3；(g～j) PC 上漿劑處理纖維，依次為CF0，CF0.05，CF0.1，CF0.2Fig.4 SEM images of CFs:(a) CF；(b–f) Fibers treated with PU sizing agent,from left to right，CF0，CF0.05，CF0.1，CF0.2，CF0.3；(g–j) PC sizing agent,from left to right，CF0，CF0.05，CF0.1，CF0.2.

3.3 上漿劑及碳納米管對炭纖維力學性能的影響

通過測試纖維的拉伸強度和Weibull 模量來分析上漿劑及碳納米管的影響。未上漿纖維的拉伸強度為2.55 ± 0.52 GPa，兩種上漿劑上漿后拉伸強度分別為2.77 ± 0.56 GPa（WPC）和2.79 ±0.43 GPa（WPU），有微小提升，這因為上漿劑的引入可以彌補炭纖維表面的微細缺陷，從而改善炭纖維力學性能。通過上漿法引入碳納米管后纖維的拉伸強度有微小降低（表3），這是因為引入碳納米管層后炭纖維直徑有所增加，但對纖維并沒有明顯結構補償；隨著碳納米管含量增加拉伸強度略有提升，是因為碳納米管在炭纖維表面形成網(wǎng)絡結構，相互纏結作用有利于炭纖維強度保持。炭纖維屬于脆性材料，在斷裂過程中幾乎沒有塑性變形，受到外力作用時已在裂紋剪短形成應力集中導致斷裂，可通過Weibull 模量來評價炭纖維拉伸強度的離散性，Weibull 模量數(shù)值越小，強度離散性越大。從Weibull 模量結果也可以看出通過上漿法引入碳納米管并不會在炭纖維表面引入更多“弱節(jié)”，而Weibull 模量的微小提升也說明碳納米管與上漿劑形成的高分子層交聯(lián)對炭纖維的表面缺陷有一定修復作用。

表3 CF 單絲拉伸性能及Weibull 模量Table 3 Tensile properties and Weibull modulus.

3.4 上漿劑及碳納米管對炭纖維表面浸潤性的影響

為了定量評價炭纖維表面能和表面浸潤性變化，本文采用Owens 雙液法[22,23]，選擇二碘甲烷DIM（極性分量γp：2.3 mN m?1，色散分量γd：48.5 mN m?1）和水（γp：51 mN m?1，色散分量γd：21.8 mN m?1）兩種不同極性的試劑作為測試液體，分別測量纖維與兩種測試液體的接觸角（表4）。

表4 DCAT-21 測量不同炭纖維在測試液體動態(tài)接觸角（單位：°）Table 4 Dynamic contact angle of carbon fibers with two different test liquids via DCAT-21 (Unit is degree).

式中：γSL—固液相界面能；γS—固體表面能；γL—測試液體表面能；γSd—固體表面能色散分量；γLd—液體表面能色散分量；γSp—固體表面能極性分量；γLp—液體表面能極性分量；γL—纖維在液體中測得接觸角。

根據(jù)公式4 和公式5 計算得出炭纖維表面能的色散分量和極性分量，進而得出纖維的表面能（圖5）。結果可以看出：上漿劑和上漿劑中引入的碳納米管對炭纖維表面能均有一定的改善效果，然而兩種方式所引起的表面能γ增加的機理卻存在明顯差異，這體現(xiàn)于表面能兩分量的不同變化趨勢：上漿劑引入有助于表面能的極性分量γp的增加，而色散分量γd降低；碳納米管的引入主要是有利于γd的增加。由于兩分量反映固體表面的不同性質(zhì)：γp反映纖維與樹脂間極性、氫鍵以及酸堿等相互作用的總和，主要和表面化學組成有關；γd反映纖維與樹脂間范德華力大小，主要與纖維粗糙度等表面形貌特征有關。上漿劑處理后，SEM 和AFM 照片所得粗糙度顯示炭纖維表面溝槽被上漿劑填充導致粗糙度變小，同時引入的上漿劑層會有一定的極性作用，易形成氫鍵，這些對極性分量的增加有貢獻；而在上漿劑中加入碳納米管，表面粗糙度明顯增加，所以色散分量有所增加。兩個分量的變化最終決定表面能大小，引入上漿劑和碳納米管后表面能增加，有利于樹脂浸潤，為后期良好的界面結合提供基礎。

圖5 不同炭纖維表面能γ 及其各分量Fig.5 Surface energy and corresponding components of CFs.

3.5 上漿劑及碳納米管對復合材料界面性能的影響

為了研究上漿劑及碳納米管對復合材料界面性能的影響，分別采用單絲段裂法和定向纖維增強聚合物基復合材料垂直拉伸法從微觀和宏觀角度測試纖維和復合材料的界面結合強度。

3.5.1 單絲復合材料界面結合性能評價

對單絲復合材料進行軸向拉伸，應力通過界面區(qū)域由樹脂傳遞給纖維，由于炭纖維的斷裂伸長率遠低于樹脂基體，纖維首先發(fā)生斷裂，而斷裂點發(fā)生于纖維最“薄弱”點。隨著拉伸力增加，更多的應力傳遞至纖維，纖維斷點不斷增加，直至通過界面?zhèn)鬟f至纖維的應力不足以使纖維發(fā)生斷裂，達到飽和斷裂狀態(tài)，此時纖維段對應臨界斷裂長度lc。通過偏光顯微就可在纖維斷點處觀察到由于應力分布光散射引起的雙折射現(xiàn)象。采用單絲段裂法評價復合材料界面結合性能，主要從兩個方面進行分析：一通過對比偏光顯微鏡觀察的斷點形貌、斷點處雙折射圖案、臨界斷裂長度及脫粘現(xiàn)象定性評價；二是通過剪滯模型基于Kelly-Tyson 公示計算界面結合強度定量評價。

圖6 為不同炭纖維對應的飽和斷裂狀態(tài)時偏光顯微鏡照片，對比可發(fā)現(xiàn)圖像中纖維斷點附近雙折射圖像明暗程度和纖維段長度均存在差異：未經(jīng)處理纖維、上漿處理纖維及加入碳納米管后雙折射現(xiàn)象明晰程度增加，纖維段長度逐漸變短，斷點越明顯、臨界斷裂長度越短界面結合強度越強[24,25]。所以可得出初步結論引入上漿劑層和碳納米管，界面結合性能增強。此外斷點形貌也存在明顯差異，對于原始纖維CF 和經(jīng)上漿劑處理的纖維附近形成長亮線，斷點不明顯（圖6ac）；而加入CNTs 后斷點比較明顯，亮區(qū)向基體樹脂擴展且斷點清晰可見（圖6d-e）。這是因為較弱的界面結合受力時樹脂與纖維易發(fā)生橫向脫黏[26]，如圖6f；而較強界面結合時纖維與樹脂結合性較好，橫向脫黏現(xiàn)象不明顯。發(fā)生了裂紋向基體內(nèi)部擴展（圖6g）。這說明將CNTs 加入上漿劑上漿處理CF 能夠有效改善CF 與PC 間的應力傳遞有效性，從而增強二者界面結合強度。

圖6 臨界飽和狀態(tài)雙折射現(xiàn)象:(a) CF；(b) CF0（WPU）；(c) CF0（WPC）；(d) CF0.1（WPU）；(e) CF0.1（WPC）及斷點示意圖:(f) 較弱結合；(g) 較強結合Fig.6 Birefringence patterns obtained at the saturation state:(a) CF；(b) CF0(WPU);(c) CF0(WPC);(d) CF0.1(WPU);(e) CF0.1(WPC) and the model diagram of breakpoint morphology:(f) weaker combination,(g) stronger combination.

記錄達到臨界斷裂狀態(tài)時斷點個數(shù)，計算平均斷裂長度及臨界斷裂長度。由于單根炭纖維強度滿足Weibull 分布，由公式1 計算得臨界斷裂長度所對應的特征強度值；并在此基礎上依據(jù)公式3 計算界面結合強度τ（圖7）。結果顯示：上漿后復合材料的界面結合強度有明顯提升，上漿劑中引入碳納米管后界面結合強度進一步提升，當CNTs 含量為0.1 wt%時，復合材料界面結合強度改善效果最佳，提升幅度分別為97.6%（WPU）和87.93%（WPC）。這說明含CNTs 的上漿劑可有效提高CF/PC 復合材料的界面結合強度。兩種上漿劑對界面結合強度具有相同的影響趨勢，但可明顯看出WPU 的效果更佳，主要原因是WPU 成膜性好的特點更有利于形成均勻的上漿劑層。

圖7 單絲段裂法所測得的界面結合強度Fig.7 The interfacial bonding strength obtained by SFFT.

3.5.2 束絲復合材料界面結合性能評價

表5 為CF/PC 束絲復合材料90°拉伸的結果，由此從宏觀角度間接評價纖維與樹脂的結合性。結果表明：經(jīng)過上漿處理可以明顯提高CF/PC的界面結合性，兩種上漿劑的結果差異微??；引入碳納米管后界面結合性得到進一步改善，當CNTs 含量為0.1 wt%時，改善效果最佳，可看到此時90°拉伸強度分別為59.56 MPa（WPU）和58.4 MPa（WPC），提高21.50% 和19.14%，當CNTs 含量過高（0.2 wt%和0.3 wt%），強度降低，這是由于CNTs 表面能低，經(jīng)酸處理，并進行良好分散，但由于濃度增加，CNTs 相互碰撞機會增加，而且上漿劑溶液中具有一定黏性，導致CNTs發(fā)生團聚的比例增加，所引入的缺陷造成應力集中，易發(fā)生破壞，尤其對于CNTs 含量為0.3 wt%時，在圖3f 中的SEM 照片也明顯說明這一點，故引起拉伸強度不升反降。

表5 定向CF/PC 復合材料垂直拉伸結果Table 5 The results of vertical direction stretching for CF/PC composite.

3.5.3 界面微觀受力分析及界面性能綜合評價

對比單絲段裂法和90°拉伸所評價的界面結合強度，綜合趨勢相似：均為上漿劑和碳納米管引入有利于加強復合材料界面結合。這主要歸因于上漿劑和碳納米管的加入提高炭纖維表面能，改善PC 與CF 的浸潤性和相容性，同時為兩種性能差異大的材料提供應力傳遞層和應力緩沖層。但是兩種表征方法的結果也存在明顯差異：單絲段裂法所顯示的上漿處理有明顯改善，加入碳納米管后也存在明顯改善；相比較而言，對于90°拉伸，上漿處理改善效果明顯可見，但碳納米管改善效果不佳。這點差異主要歸因于兩種評價方法的界面應力傳遞方式差異：單絲段裂法是基于剪滯模型的表征方法，單絲復合材料受力時，應力主要通過界面剪切作用從PC 向CF 傳遞，界面應力傳遞主導方式為界面剪切作用；在90°拉伸中，束絲復合材料受力方向垂直于纖維方向，應力主要通過基體與樹脂黏結作用從PC 向CF 傳遞，界面應力傳遞主導方式為界面粘結作用。上漿劑WPU 和WPC 所起作用為黏結劑，對界面剪切和黏結作用均有增強效果，因此在兩種評價方法中都有明顯作用。碳納米管主要起增加與樹脂的機械鉚釘作用，類似于“尼龍扣”勾面的鉤子鑲嵌于PC 基體和上漿劑中（圖8）：當受力方向為纖維平行方向（單絲段裂法），應力通過基體發(fā)生剪切變形傳遞至纖維和碳納米管，此時碳納米管受力為拉伸和彎曲組合受力（圖8 左），由于碳納米管的高強度，不易發(fā)生破壞，因此類似“鉤子”的碳納米管可有效增加阻力防止界面發(fā)生滑移，可起到明顯增強效果，正如“尼龍扣”很難被水平抽開；當受力方向為垂直纖維方向，應力通過基體和上漿劑粘結傳遞至纖維和碳納米管，此時碳納米管受力為拉伸力（圖8 右），由于碳納米管表面惰性結構，易與基體和上漿劑發(fā)生脫粘拔出，所起增強效果較弱，正如“尼龍扣”容易被揭開。

圖8 界面結合強度評價方法作用模型：（左）單絲段裂法；（右）90°拉伸Fig.8 The model for evaluation methods of interfacial bonding strength:(left) SFFT;(right) Transvers tensile.

4 結論

對濃硝酸酸化處理后CNTs 進行良好分散后，制備含CNTs 上漿劑，經(jīng)上漿處理，纖維表面形貌和粗糙度發(fā)生明顯變化，對纖維增強熱塑性樹脂復合材料界面性能有明顯改善效果，且CNTs含量對改善效果有明顯差異，具體如下：

（1）WPU 及其加入碳納米管形成上漿劑處理CF 表面形貌更均勻，炭纖維單絲力學性能更佳，主要原因是WPU 成膜性好，可形成更均勻上漿劑層，同時更有利于修復表面缺陷。

（2）采用單絲段裂法從微觀角度評價單絲復合材料界面結合性能，上漿劑和CNTs 引入均有利于改善界面結合性能，CNTs 含量為0.1 wt%時，對界面結合強度改善效果最佳，提升幅度分別為97.6%（WPU）和87.93%（WPC）。

（3）采用復合材料定向纖維增強聚合物基復合材料垂直拉伸從宏觀角度評價復合材料界面結合性能，上漿劑有明顯改善效果，CNTs 引入后也有一定改善效果。當CNTs 含量為0.1 wt%時，改善效果最佳，提升幅度分別為21.50%（WPU）和19.14%（WPC）。

（4）兩種界面結合強度評價方法結果存在明顯差異：單絲段裂法中，碳納米管改善效果明顯，此時界面應力傳遞主要體現(xiàn)剪切作用，碳納米管在其中扮演增強角色；90°拉伸中，上漿劑改善效果顯著，碳納米管改善不明顯，此時界面應力傳遞主要體現(xiàn)黏結作用，碳納米管易被拔出，增強效果不明顯。

致謝

感謝國家自然科學基金委-山西煤基低碳聯(lián)合基金（U1810116），山西省科技重大專項項目（20181101020），山西省應用基礎研究計劃（201901 D211587），山西省重點研發(fā)計劃（201903D121004,201903D121102）。