《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Hierarchical reinforcement approach to laminated CFRP composites: electrospinning polyvinylidene fluoride fiber on carbon fabric and introducing spun zirconia fiber into the interlayer
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针对层压碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料界面弱、抗损伤性差难题，研究人员采用层级增强策略，通过在碳织物上电纺聚偏氟乙烯纤维(PFF)并在层间引入氧化锆纤维(ZF)，经三点弯曲(3 PB)测试证实，最优配比试样弯曲强度达736.58 MPa，较未增强组提升25.6%，为高强度CFRP设计提供新范式。
在航空航天、汽车制造等高端装备领域，轻量化与高强度的平衡始终是材料科学家追逐的终极目标。碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料凭借其优异的比强度和比模量，早已成为这一赛道的明星材料。然而，就像再坚固的堡垒也有软肋，传统层压CFRP复合材料的层间界面和纤维与树脂的结合处往往是性能的短板——载荷传递效率低下、裂纹容易沿界面扩展，导致材料在弯曲或冲击下过早失效。如何给这些“软肋”穿上铠甲，同时不牺牲材料的轻量化优势，成为领域内亟待突破的瓶颈。
为了解决这一难题，一项创新性的研究采用了层级增强策略，就像给复合材料搭建了一套“纳米-微米”级的立体防御体系。研究人员没有止步于单一尺度的增强，而是巧妙地将两种不同维度的增强体结合起来：一方面，通过静电纺丝技术在碳纤维(CF)织物表面直接构筑了一层直径仅数百纳米至微米的无序聚偏氟乙烯纤维(PFF)薄纱；另一方面，将直径约8微米的纺制氧化锆纤维(ZF)引入复合材料的层间区域。这种“上下夹击”的策略旨在从微观界面到宏观层间全方位调控材料的力学性能。
经过系统的力学测试和微观机理分析，研究团队取得了令人振奋的成果。实验数据显示，当PFF的面密度为0.24 g/m2、ZF的面密度为0.16 g/m2时，复合材料的弯曲强度达到了736.58 MPa，相比未增强的对照组(586.57 MPa)提升了25.6%。更重要的是，这两种纤维并非简单的物理混合，而是产生了奇妙的协同效应：PFF薄纱像一张细密的网，通过纤维桥接和塑性变形显著提升了纤维与树脂间的界面结合强度；而ZF则像一根根微型钢筋，通过纤维桥接和拔出机制增强了树脂基体的韧性。二者联手，让材料内部的应力分布更加均匀，能量耗散更加高效，从而大幅提升了抗损伤能力。这项研究成果为设计下一代高强度、高韧性的CFRP复合材料开辟了全新的路径，已发表于《Advanced Composites and Hybrid Materials》。
为了实现上述研究目标，作者团队采用了几个关键技术方法。首先，利用静电纺丝技术直接在碳纤维织物表面原位制备聚偏氟乙烯纤维薄纱，实现纳米至微米尺度增强体的可控构筑。其次，将纺制的氧化锆纤维引入层压复合材料的层间区域，构建跨尺度层级增强结构。随后，采用三点弯曲(3 PB)测试方法系统评估复合材料的弯曲力学性能，并结合微观形貌观察分析损伤演化行为。此外，通过界面剪切和断裂形貌表征，揭示PFF与ZF在界面增强和增韧中的协同作用机制。
Abstract
研究摘要明确指出，该工作采用层级增强策略制备了含不同维度聚偏氟乙烯纤维和氧化锆纤维的层压CFRP复合材料。通过电纺在碳纤维织物上构建无序PFF薄纱，并在层间引入ZF，三点弯曲测试显示力学性能显著提升，最优配比试样弯曲强度较未增强组提升25.6%。PFF与ZF的层级协同效应调控了弯曲载荷下的损伤演化过程，前者通过纤维桥接和塑性变形改善界面结合强度，后者通过纤维桥接和拔出增强树脂强度，共同促进均匀应力分布和能量耗散，提升弯曲强度和抗损伤性。
层级增强结构的设计与制备
研究人员设计了“织物表面-层间”双区域的增强方案。在碳纤维织物表面，通过静电纺丝技术直接沉积形成一层无序的聚偏氟乙烯纤维薄纱，其纤维直径分布在数百纳米到微米级别，能够紧密贴合碳纤维表面并渗透至织物孔隙中。在层压复合材料的层间区域，引入直径约为8微米的纺制氧化锆纤维，形成微米尺度的增强相。这种跨尺度的结构设计实现了从纳米级界面到微米级层间的全方位增强。
弯曲力学性能的提升
三点弯曲测试结果表明，层级增强策略显著改善了复合材料的弯曲性能。随着PFF和ZF添加量的优化，复合材料的弯曲强度呈现先升后降的趋势。其中，含有0.24 g/m2PFF和0.16 g/m2ZF的试样表现出最优异的力学性能，弯曲强度达到736.58 MPa，相比未增强的对照组(586.57 MPa)提升了25.6%。这一数据充分证明了层级增强策略在提升CFRP复合材料弯曲承载能力方面的有效性。
损伤演化与增韧机制分析
微观形貌观察和断口分析揭示了PFF与ZF的协同增韧机制。在弯曲载荷作用下，PFF薄纱通过其高长径比和高比表面积，在碳纤维与树脂基体之间形成大量的纤维桥接点，同时通过自身的塑性变形吸收能量，有效抑制了界面微裂纹的萌生和扩展。而层间的ZF则通过纤维桥接作用阻止层间裂纹的快速扩展，并在纤维拔出过程中消耗大量断裂能。二者的协同作用使得复合材料在受力过程中能够实现更均匀的应力分布，延缓了最终失效的发生。
界面结合强度的改善
PFF的存在显著改善了碳纤维与树脂基体之间的界面结合状态。由于PFF薄纱覆盖了碳纤维表面并填充了织物间隙，增加了界面处的机械互锁作用和化学结合位点。断口形貌显示，增强后的复合材料界面处树脂浸润性更好，纤维拔出现象减少，界面剥离面积降低，表明界面结合强度得到了实质性提升。
树脂基体强度的增强
ZF的引入则主要作用于树脂基体区域。氧化锆纤维本身具有较高的强度和模量，其在树脂基体中形成了三维网络结构，能够有效传递和分散载荷。当基体中出现裂纹时，ZF通过桥接裂纹面阻碍其扩展，并在纤维与基体发生脱粘时通过拔出过程进一步耗散能量，从而显著提高了树脂基体的强度和韧性。
综合来看，该研究提出的层级增强策略成功解决了传统CFRP复合材料界面弱、层间易分层的关键问题。通过将纳米至微米尺度的聚偏氟乙烯纤维与氧化锆纤维有机结合，实现了界面增强与层间增韧的协同效应。这种“双管齐下”的设计理念不仅大幅提升了复合材料的弯曲强度和抗损伤能力，更重要的是为高性能复合材料的界面调控和结构设计提供了全新的思路。未来，这种跨尺度的层级增强方法有望推广到其他类型的纤维增强复合材料体系中，为航空航天、新能源汽车等领域对轻量化高性能结构材料的需求提供有力支撑。
