太远科技大学李岩Polymer Composites：工艺参数和碳纳米管对复合材料接头的影响

一、 【导读】
太原科技大学材料学院李岩团队在Polymer Composites发表论文，研究了碳纳米管（CNTs）对复合材料接头性能的影响，重点探讨了加工参数与碳纳米管添加对复合材料连接质量的协同作用。随着复合材料在各行各业的广泛应用，如何提高复合材料接头的力学性能、耐久性和可靠性，成为研究的热点问题。研究表明，通过优化加工参数和在复合材料中引入碳纳米管，可以显著改善接头性能，尤其是焊接和粘接界面的强度。

二、【成果掠影】
本研究主要考察了不同加工参数（如温度、压力、时间等）和碳纳米管添加量对复合材料接头力学性能的影响。实验表明，适当的加工温度和压力能够优化接头的界面结合力，显著提高焊接接头的抗拉强度和抗剪切强度。特别是在复合材料中添加碳纳米管后，焊接接头的力学性能得到了明显改善。碳纳米管的引入不仅改善了接头的力学强度，还增强了接头的热稳定性和抗腐蚀性能。
1. 加工参数优化： 研究通过系统实验，探讨了加工温度、压力和时间对复合材料接头的影响。结果表明，温度和压力的适当提高能够促进树脂的固化过程，提高界面的结合力。加工时间过长或过短都会导致接头性能的下降，因此精确控制加工参数对于提高接头强度至关重要。
2. 碳纳米管的影响： 添加碳纳米管后，复合材料接头的强度显著提高。CNTs作为增强材料，可以填充复合材料中的微裂纹，并通过其优异的力学性能改善焊接接头的整体性能。此外，碳纳米管的分散性和界面结合力对最终接头性能有较大影响，合理的碳纳米管添加量和均匀分布是提升接头强度的关键。
3. 复合效应： 加工参数和碳纳米管的协同作用进一步增强了接头的力学性能。研究发现，碳纳米管的增强效果在优化加工参数的条件下得到了最大化。优化的加工条件和合理的碳纳米管添加量能够使接头性能达到最佳状态。

三、【核心创新点】
1. 加工参数与碳纳米管协同作用：本研究首次系统性地探讨了加工参数（如温度、压力、时间）与碳纳米管添加量之间的协同效应，发现优化的加工条件与适量的碳纳米管能够显著提高复合材料接头的力学性能。特别是在优化加工温度和压力下，碳纳米管的增强效果得到了最大化。
2. 碳纳米管增强效应的机制：本文揭示了碳纳米管通过改善界面结合力、提高基体对金属网的浸润性达到提高复合材料接头力学强度的作用机制。碳纳米管有效的改善接头的抗拉强度和抗剪切强度。
3. 碳纳米管制备流程优化： 本研究创新性地提出了通过去除碳纳米管中的杂质来优化其制备流程。通过改进制备工艺，去除了碳纳米管中的无用杂质，减少了接头杂质对力学性能的影响。金属网表面高纯度的碳纳米管有效地增强了基体对金属网的浸润性，避免了杂质引起的接头内部缺陷现象，从而更有效地发挥其增强作用。
4. 优化工艺参数组合： 本研究提出了最佳的加工温度、压力、时间和碳纳米管添加量的组合方案，帮助确定了复合材料接头的理想加工工艺。通过精确控制这些参数，能够获得最佳的接头强度和性能，为实际生产中的接头质量控制提供了理论指导。

四、【数据概览】

图1 接头部分宏观照片及其显微镜下的细节 

图2 CF/PA6焊接接头横截面的显微特征 图(A) 接头边缘部分；图(B) 接头中心部分 

图3 金属网与尼龙基体之间的结合程度 (a) 未生长碳纳米管；(b)已生长碳纳米管 

图4 金属网表面元素
(a) 5分钟未去除杂质；(b) 5分钟去除杂质；(c) 10分钟未去除杂质；
(d) 10分钟去除杂质；(e) 15分钟未去除杂质；(f) 15分钟去除杂质 

图5 超声波无损检测示意图
(a) 无碳纳米管；(b) 有碳纳米管；(c) 酸洗 30秒；(d) 酸洗 60秒
五、【成果启示】
该研究为复合材料接头的增强技术提供了新的思路和方法，尤其是在工业生产中，合理控制工艺参数并加入CNTs可显著提高接头的机械性能。这些成果对航空航天、汽车制造等领域中的复合材料接头设计和生产工艺优化具有重要的应用价值。
原文详情：Liu, S., Wang, Y., Fan, T., Wu, Z., & Li, Y. (2024). The influence of process parameters and carbon nanotubes on composite material joints. Polymer Composites, 45(16), 14875-14887. https://doi.org/10.1002/pc.28807

本文由叫我帅哥就好了供稿