近日，我院韩文钦老师课题组在国际重要刊物《Polymer Composites》(IF=4.8,中科院二区)发表题为：“Study on the toughening of epoxy resin modified by multi-component fillers of carbon nanofibers/nano-silica/short carbon fibers”,硕士研究生胡彬为该项成果的第一作者，韩文钦老师为通讯作者，本文第一通讯单位为江苏理工学院。
1.研究背景
环氧树脂作为一类重要的热固性树脂，它在众多工业领域得到了广泛的应用。然而，环氧树脂本身就很脆，断裂韧性低，在存在小缺陷或应力集中时容易发生裂纹扩展，从而增加材料失效的风险。如果在飞机结构中使用低韧性材料，即使是很小的裂纹扩展也可能导致飞行中的解体。通过提高断裂韧性，可以显著降低此类风险。
2.研究内容
本文针对环氧树脂断裂韧性低的缺点，选择了碳纳米纤维(CNF)和纳米二氧化硅(SiO2)两种纳米填料，纳米级填料可以很好地分散在环氧树脂中，然后在基体中传递和分散应力，从而增强增韧。同时，选择了短碳纤维(SCF)，它具有高强度和高模量的特点，也可用于增韧改性。通过多尺度填料与环氧树脂混合以协同增强增韧。
图1(a)为仅含有SCF的试样断口的微观形貌，SCF 通过脱粘、断裂和裂纹偏转等机制使环氧树脂增韧，但由于SCF 的弹性模量远高于基体的弹性模量，应力集中发生在纤维末端附近。图(b)为CNF、SiO2和 SCF(多尺度填料)的组合，断面更粗糙，裂纹路径扭曲不平，表明其较强的抵抗裂纹扩展能力。纳米填料 CNF 和 SiO2对环氧树脂的增韧机制包括 CNF 拔出、CNF 断裂、SiO2脱粘、裂纹偏转和塑性空穴增长。CNF 的高纵横比允许有效的应力传递，从而有效地释放 SCF 末端附近的应力集中。此外，SiO2的添加会促进基体的塑性变形。
图1 试样断面微观形貌 (a) F0.5；(b) C1.0S0.5F0.5
3.研究结论
本研究将CNF、SiO2和SCF与环氧树脂混合以提高其拉伸强度和断裂韧性，在1 wt.% CNF、0.5 wt.% SiO2和 0.5 wt.% SCF混合比下，环氧树脂表现出优异的综合力学性能。CNF、SiO2和 SCF(多尺度填料)的组合对环氧树脂表现出显着的协同增韧作用，CNF 的高纵横比允许有效的应力传递，从而有效地释放 SCF 末端附近的应力集中，此外，SiO2的添加会促进基体的塑性变形。
文章信息
参考格式：B. Hu, W. Han, Y. Wang, K. Hu, L. Duan, Study on the toughening of epoxy resin modified by multi‐component fillers of carbon nanofibers/nano‐silica/short carbon fibers, Polymer Composites, 2025, 29868.
原文连接：https://doi.org/10.1002/pc.29868