CFRP板及其浸漬膠性能的納米增韌劑影響研究

李傳習(xí)，鄢亦斌，高有為，李御航，司睹英胡

（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 橋梁工程安全控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbon fibre reinforced plastic ，CFRP）質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、比模量高，具有優(yōu)異的抗疲勞性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于航空、航天、風(fēng)電葉片和汽車船舶等行業(yè)［1-3］，在土木工程領(lǐng)域也顯示出較大的應(yīng)用潛力［4-6］。CFRP是由表面惰性較大的碳纖維和環(huán)氧樹脂基體完全接觸混合而成的，其層間韌性較弱［7］，要求設(shè)計(jì)的損傷容限較大，不利于碳纖維性能的充分利用。納米增韌劑的增韌性能優(yōu)異［8］，對(duì)CFRP層間韌性有著較好的增強(qiáng)效果［9-11］。CFRP的納米增韌技術(shù)包括離位增韌和原位增韌。其中，離位增韌技術(shù)通過化學(xué)氣相沉積法將納米增韌劑接枝到碳纖維表面，該技術(shù)能夠很好地改善碳纖維與環(huán)氧樹脂的界面性能，但在接枝過程中會(huì)對(duì)碳纖維表面造成損傷，導(dǎo)致碳纖維性能下降，且不便于大規(guī)模生產(chǎn)；原位增韌技術(shù)是通過溶液共混法將納米增韌劑與環(huán)氧樹脂共混。該方法簡(jiǎn)單，制作方便，對(duì)碳纖維損傷小，已被許多商業(yè)公司用于工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，該技術(shù)的關(guān)鍵是解決納米增韌劑在環(huán)氧樹脂中的分散問題［12-14］。研究表明：采用原位增韌技術(shù)能夠有效改善CFRP的性能。

ZENG等［15］通過真空輔助樹脂灌注（vacuum assisted resin transfer molding，VARTM）制備CFRP板，研究表明：當(dāng)增韌劑納米SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～12%時(shí)，浸漬膠本體斷裂韌性呈線性增加；當(dāng)增韌劑納米SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，CFRP的斷裂韌性的改善效果已達(dá)到飽和狀態(tài)。JUMAHAT等［16］通過纏繞技術(shù)制備CFRP板，發(fā)現(xiàn)增韌劑納米SiO2的體積分?jǐn)?shù)為11.7%時(shí)，CFRP板的壓縮模量從85.7 GPa增加到132.4 GPa。LUO等［17］采用RFI技術(shù)制作CFRP板，結(jié)果顯示當(dāng)增韌劑納米SiO2摻量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，CFRP板最大拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別提升了86.30%、126.98%，電子掃描電鏡（scanning electron microscope ，SEM）圖像顯示斷口出現(xiàn)了“聚合物裂紋”和“剪切帶”。TANG等［18］采用VARTM制備CFRP板，提升了環(huán)氧樹脂和CFRP板的拉伸強(qiáng)度，SEM的斷口表明納米SiO2改善了碳纖維-環(huán)氧樹脂界面的附著力，界面失效模式發(fā)生轉(zhuǎn)變。GODARA等［19］采用模壓法制備CFRP板，再摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的碳納米管（MWCNTs），明顯提高了CFRP板的層間斷裂韌性。尹君山等［20］采用樹脂傳遞模塑成型（resin transfer molding，RTM）制備CFRP板，研究發(fā)現(xiàn)MWCNTs橋接著碳纖維和環(huán)氧樹脂，形成多尺度的增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)，從而提升了CFRP板的層間剪切強(qiáng)度。BEKYAROVA等［21］采用VARTM制備了CFRP板，發(fā)現(xiàn)摻入SWCNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，CFRP板的層間剪切強(qiáng)度提高了40%。鄭國(guó)棟等［22］采用熱熔法制備CFRP板，研究發(fā)現(xiàn)增韌劑MWCNTs-EDA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，CFRP板的壓縮性能、彎曲性能和沖擊后的壓縮強(qiáng)度分別提高了14.7%、40.9%和20.6%。綜上所述，原位增韌技術(shù)有效提升了CFRP板的性能。將納米增韌劑均勻分散在浸漬膠中可以有效提升浸漬膠基體的性能，同時(shí)改善了碳纖維與浸漬膠的界面連接，從而對(duì)CFRP板起到增強(qiáng)增韌的效果。

在這些原位增韌研究中，需制作CFRP板的浸漬膠，若其納米增韌劑的摻量過大，導(dǎo)致黏度過大，過濾不暢，制作的CFRP不適用于真空輔助成型（vacuum assisted resin infusion ， VARI）工藝。而高韌性CFRP適應(yīng)VARI工藝，但學(xué)者們對(duì)其環(huán)氧樹脂浸漬膠改性納米增韌劑種類及摻量的研究鮮見。VARI具有工藝簡(jiǎn)單，成本低，制作方便，在室溫下即可操作的優(yōu)點(diǎn)［23］。

本研究通過環(huán)氧樹脂中納米SiO2和MWCNTs等增韌劑不同含量的單摻和混摻，分析增韌劑的種類和摻量對(duì)浸漬膠本體黏度和力學(xué)性能的影響，并采用VARI工藝制作CFRP板，以拉伸強(qiáng)度為指標(biāo)，分析不同納米增韌劑對(duì)CFRP板性能的影響，為在VARI工藝下對(duì)CFRP板原位增韌的納米增韌劑的選取提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

1） 試驗(yàn)材料。

CFRP布為賽科歐加固材料廠300 g/m2的一級(jí)CFRP布；GE7118A/7114B環(huán)氧樹脂浸漬膠由惠柏新材料科技（上海）股份有限公司生產(chǎn)；納米SiO2由上海阿拉丁生化科技股份有限公司生產(chǎn)，粒徑為15 nm；MWCNTs由成都中科時(shí)代納能科技有限公司生產(chǎn)，外徑為4～6 nm，長(zhǎng)度為10×10-3～20×10-3mm；KH-560偶聯(lián)劑由南京創(chuàng)世化工助劑有限公司生產(chǎn)；Sika30結(jié)構(gòu)膠黏劑由德國(guó)西卡公司生產(chǎn)；真空輔助成型輔材由常州樺立柯新材料有限公司生產(chǎn)；搭接試件的鋼板采用中鐵寶橋公司生產(chǎn)的橋梁結(jié)構(gòu)鋼Q345D。

2） 試驗(yàn)儀器。

數(shù)字式黏度計(jì)NDJ-8S，超級(jí)恒溫槽，由上海衡平儀器儀表廠生產(chǎn)；可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱JW-2009由上海巨為儀器設(shè)備有限公司出品；新芝系列超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)GY98-3N由寧波新芝生物科技股份有限公司生產(chǎn)；水切割機(jī)由奧拓福水刀有限公司出售；高低溫拉力試驗(yàn)機(jī)由湖南蘭思儀器有限公司出售；高低溫力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)WDW-300C由上海華龍測(cè)試儀器有限公司出售。

不同編號(hào)的浸漬膠中納米增韌劑的種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。其編號(hào)形式為“S*M*”，S代表浸漬臍中摻有增韌劑納米SiO2，S后面的數(shù)字表明其摻量與加納米增韌劑后的環(huán)氧樹脂的重量比（×1 000）；M代表浸漬臍中摻有增韌劑MWCNTs，M后面的數(shù)字表明其摻量與加納米增韌劑后的環(huán)氧樹脂的重量比（×1 000）。例如：S3M1浸漬膠，表明該膠中摻有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的納米SiO2和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的MWCNTs，即每99.6 g環(huán)氧樹脂（浸漬膠A組分）中摻入0.3 g納米SiO2和0.1 g MWCNTs。

表1 各浸漬膠的納米增韌劑的種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)及制作CFRP板編號(hào)Table 1 Type and mass fraction of nano tougheners for the impregnated resin and number of the CFRP plates %

1.2 試件設(shè)計(jì)與制備

1.2.1 浸漬膠及其拉伸和彎曲試件

拉伸試件按ASTM D638-10標(biāo)準(zhǔn)制作，每組試件取5個(gè)有效數(shù)據(jù)。彎曲試件按《樹脂澆鑄體彎曲性能試驗(yàn)方法》（GB/T 2570—1995）標(biāo)準(zhǔn)制作，每組試件取5個(gè)有效數(shù)據(jù)。拉伸和彎曲試件的尺寸大小如圖1所示。在圖1中，r為圓弧半徑。

圖1 浸漬膠拉伸和彎曲試件尺寸（單位：mm）Fig.1 Dimensions of the tensile and bending specimens of the impregnated resin（unit：mm）

試件的制作流程為：先按配合比稱取環(huán)氧樹脂、納米增韌劑和偶聯(lián)劑，人工攪拌5 min，將納米增韌劑初步分散在環(huán)氧樹脂中；再將環(huán)氧樹脂、納米增韌劑和偶聯(lián)劑的初步混合體置于超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)中，超聲分散2 h，分散完成后，水浴冷卻至室溫；然后按比例加入固化劑，并充分?jǐn)嚢杈鶆颍涑山n膠、將形成的浸漬膠倒入涂有脫模劑的拉伸和彎曲模具中，靜置2 h。最后，將模具放入恒溫恒濕箱內(nèi)，對(duì)試件進(jìn)行固化，固化條件為50 ℃/4 h+70 ℃/6 h，固化完成后，得到浸漬膠拉伸試件和彎曲試件。

1.2.2 CFRP板

試驗(yàn)過程中，CFRP板采用四層500 mm×500 mm的CFRP布，按0°方向鋪設(shè)，通過VARI工藝制作而成。VARI是一種新型的低成本復(fù)合材料成型技術(shù)，利用真空負(fù)壓帶動(dòng)低黏度樹脂的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)樹脂對(duì)纖維及其織物的浸漬［18-19］。配置的浸漬膠通過真空負(fù)壓浸潤(rùn)C(jī)FRP布，制出不同增韌劑浸漬膠的CFRP板。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 CFRP板的VARI成型裝置Fig.2 VARI molding device for CFRP plate

VARI工藝的具體流程為：

1） 取一塊鋼化玻璃，置于平面，用酒精清洗表面后，前后涂抹三層脫模劑；

2） 在玻璃板上，依次鋪放四層CFRP布、導(dǎo)流網(wǎng)、脫模布、螺旋管、注膠座、真空袋，用密封膠將真空袋與玻璃板密封貼實(shí)；

3） 連接樹脂容器-真空管-密封裝置-真空管-樹脂收集器-真空管-真空泵；

4） 檢查裝置的氣密性，保證裝置的密封性；5） 注膠，將配置好的浸漬膠注入密封裝置，注膠完成后夾緊真空管夾；

6） 將制品置于恒溫恒濕箱內(nèi)進(jìn)行固化；

7） 脫模，得到500 mm×500 mm×tmm（t為VARI成型的板材厚度，取決于CFRP布層數(shù)和樹脂含量）的試件。同一板材的CFRP板在不同位置的厚度略有差異，用水切割機(jī)按試件需求的形狀大小對(duì)CFRP板進(jìn)行切割處理。

根據(jù)制作CFRP浸漬膠納米的增韌種類和摻量的不同，制作不同種類的CFRP板。其編號(hào)是在浸漬膠編號(hào)的前面加一個(gè)前綴“C-”，如：“C-S0M0”、“C-S2M0”。根據(jù)浸漬膠的黏度及其力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，制作了10種CFRP板，其編號(hào)分別為C-S0M0、C-S0M4、C-S2M0、C-S0M6、C-S4M0、C-S3M1、C-S6M0、C-S2M2、C-S0M2、C-S1M3。

1.2.3 CFRP板拉伸試件

CFRP板拉伸試件的長(zhǎng)度和寬度參照ASTMD3039M標(biāo)準(zhǔn)，確定為250 mm×25 mm，通過水切割機(jī)制作CFRP板，每種CFRP板拉伸試件制作5個(gè)。

為避免在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)試件打滑現(xiàn)象，用鋁片對(duì)拉伸試件進(jìn)行錨固，鋁片尺寸大小為50.0 mm×25.0 mm×2.5 mm。先用壁紙刀對(duì)鋁片表面劃下±45°的劃痕，用砂紙對(duì)拉伸試件兩端進(jìn)行±45°的角度打磨，增大鋁片和拉伸試件表面的粗糙度，防止試件在試驗(yàn)過程中打滑；再用酒精清洗掉鋁片和試件表面的灰塵，將清洗好后的鋁片用Sika30結(jié)構(gòu)膠膠粘在試件兩端，通過使用細(xì)小鋼珠將膠層厚度控制在1 mm；最后將其放置于室溫下固化7 d。錨固好后的拉伸試件如圖3所示。

圖3 錨固好的CFRP板拉伸試件（單位：mm）Fig.3 The anchored tensile specimen of CFRP plate（unit：mm）

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 浸漬膠黏度試驗(yàn)

浸漬膠中摻入納米增韌劑會(huì)顯著增加其黏度［16-17］，而低黏度是VARI工藝的關(guān)鍵條件之一，為確保黏度滿足工藝要求，測(cè)定25 ℃下?lián)饺爰{米增韌劑后浸漬膠的黏度。再將超聲分散后的浸漬膠水浴冷卻至室溫，加入固化劑，充分?jǐn)嚢杈鶆?。最后將樹脂置于超?jí)恒溫槽內(nèi)加熱至25 ℃，用數(shù)字式旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量其黏度，連續(xù)測(cè)量三次，取其平均值。為避免其他因素對(duì)黏度的影響，每組試樣的測(cè)定過程保持一致，包括水浴冷卻時(shí)間、攪拌時(shí)間、加熱時(shí)間等。測(cè)量裝置如圖4所示。

圖4 浸漬膠黏度測(cè)量試驗(yàn)Fig.4 Viscosity measurement test of the impregnated resin

1.3.2 浸漬膠力學(xué)性能試驗(yàn)

采用50 kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試浸漬膠的拉伸性能。使用夾具夾緊試件上下端，試件與夾具位于同一豎直線，并垂直于地面，安裝好引伸計(jì)，然后以2 mm/min的速度連續(xù)、均勻加載直至破壞。

采用50 kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試浸漬膠的彎曲性能。試件垂直于加載中心線放置，且試件中心點(diǎn)與加載點(diǎn)重合，其左、右各懸出10 mm，然后，以2 mm/min的速度連續(xù)、均勻加載，直至破壞。試件的基本力學(xué)性能試驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 浸漬膠拉伸和彎曲試驗(yàn)Fig.5 Tensile and bending test of the impregnated resin

1.3.3 CFRP板拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)

采用300 kN準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試CFRP板的拉伸性能。調(diào)整試件，使其中心線垂直于地面，并與夾具位于同一豎直線上，安裝引伸計(jì)，然后，以5 mm/min的速度連續(xù)、均勻地加載直至破壞，試驗(yàn)裝置如圖6所示。

圖6 CFRP板拉伸性能試驗(yàn)Fig.6 Tensile properties test of CFRP plate

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同納米增韌劑的浸漬膠黏度

25 ℃下不同納米增韌劑浸漬膠的黏度變化如圖7所示。從圖7可以看出，隨著納米增韌劑摻量的增加，浸漬膠的黏度逐漸變大；相同摻量下，單摻MWCNTs的浸漬膠黏度高于單摻納米SiO2的浸漬膠黏度，混摻納米增韌劑的浸漬膠黏度高于單摻納米增韌劑的浸漬膠黏度，且同摻量下混摻時(shí)，隨著MWCNTs比重的增加，浸漬膠的黏度有所增加。其主要原因是MWCNTs細(xì)長(zhǎng)的管狀結(jié)構(gòu)與浸漬膠接觸面積大，難以流動(dòng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到較大的黏滯阻力，使得同摻量下MWCNTs比SiO2對(duì)浸漬膠黏度的影響更明顯；混摻時(shí)，球形的納米SiO2吸附在管狀的MWCNTs上，納米SiO2、MWCNTs和浸漬膠三者之間的交聯(lián)更為緊密，引起更大的黏滯阻力，同樣的摻量，在納米SiO2和MWCNTs的協(xié)同作用下的浸漬膠黏度比單摻時(shí)的更高，且這種協(xié)同作用隨著MWCNTs摻量的增加而增強(qiáng)。

圖7 不同納米增韌劑與浸漬膠黏度的關(guān)系Fig.7 Relationship between different nano tougheners and the impregnated resin

2.2 浸漬膠力學(xué)性能

不同納米增韌劑浸漬膠的拉伸強(qiáng)度變化如圖8所示。從圖8可以看出，當(dāng)單摻納米增韌劑時(shí)，隨著納米增韌劑摻量的增加，浸漬膠的拉伸強(qiáng)度先上升后下降。當(dāng)摻量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，單摻SiO2或MWCNTs的浸漬膠的拉伸強(qiáng)度都達(dá)到最大值，分別為64.65 MPa（試件S4M0）、65.58 MPa（試件S0M4），較純浸漬膠（試件S0M0）的54.63 MPa分別提升18.34%、20.04%。隨著其摻量的增加，納米增韌劑間產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，拉伸強(qiáng)度快速下降。當(dāng)總摻量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，單摻增韌劑的浸漬膠的拉伸強(qiáng)度優(yōu)于混摻的。當(dāng)總摻量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，試件S3M3的拉伸強(qiáng)度最大。

圖8 不同納米增韌劑與浸漬膠拉伸強(qiáng)度的關(guān)系Fig.8 Relationship between different nano tougheners and tensile strength of the impregnated resin

不同納米增韌劑與浸漬膠斷裂伸長(zhǎng)率的關(guān)系如圖9所示。從圖9可以看出，浸漬膠的斷裂伸長(zhǎng)率同樣呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)單摻SiO2，浸漬膠在總摻量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%（試件S6M0）時(shí)，最大斷裂伸長(zhǎng)率為9.94%，較試件S0M0的最大斷裂伸長(zhǎng)率（6.55%）提升了51.76%。當(dāng)單摻MWCNTs， 浸漬膠在摻量為0.4%（試件S0M4）時(shí)，最大斷裂伸長(zhǎng)率為11.08%，較試件S0M0的提升了69.16%。當(dāng)總摻量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，試件S1M3的最大斷裂伸長(zhǎng)率最長(zhǎng)，達(dá)到11.48%，較試件S0M0的提升了75.27%；當(dāng)總摻量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，試件S4M2的最大斷裂伸長(zhǎng)率為10.49%，較試件S0M0的提升了60.15%。這表明混摻納米增韌劑的浸漬膠斷裂伸長(zhǎng)率優(yōu)于單摻的。

圖9 不同納米增韌劑與浸漬膠斷裂伸長(zhǎng)率的關(guān)系Fig.9 Relationship between different nano tougheners and elongation at break of the impregnated resin

不同納米增韌劑浸漬膠的彎曲強(qiáng)度變化如圖10所示。從圖10可以看出，當(dāng)單摻SiO2，浸漬膠在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，彎曲強(qiáng)度為129.29 MPa，較試件S0M0的彎曲強(qiáng)度（103.88 MPa）提升了24.46%，隨著摻量繼續(xù)增加，彎曲強(qiáng)度開始下降；當(dāng)單摻MWCNTs，浸漬膠的彎曲強(qiáng)度在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%（試件S0M2）時(shí)，彎曲強(qiáng)度為118.28 MPa，較試件S0M0的提升了13.86%，然后隨摻量的增加而下降。當(dāng)納米增韌劑的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，試件S3M1的彎曲強(qiáng)度最大，為142.13 MPa，較試件S0M0的提升了36.82%；當(dāng)納米增韌劑的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，試件S6M0的彎曲強(qiáng)度最大，為119.19 MPa，較試件S0M0的提升了14.74%。

圖10 不同納米增韌劑與浸漬膠彎曲強(qiáng)度的關(guān)系Fig.10 Relationship between different nano tougheners and bending strength of the impregnated resin

因此，適量的納米增韌劑能有效改善浸漬膠的力學(xué)性能，改善效果與納米增韌劑的種類和摻量相關(guān)?；w在荷載作用下產(chǎn)生裂紋，遇到附近的納米增韌劑時(shí)裂紋擴(kuò)展受阻，繞開納米增韌劑形成新的裂紋，此過程需要消耗不少能量，從而有效抑制了裂紋的擴(kuò)展，使浸漬膠達(dá)到了增強(qiáng)增韌的效果。隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米增韌劑在基體中密度變大，容易發(fā)生團(tuán)聚，使得顆粒異常增大，引起浸漬膠力學(xué)性能劣化。SiO2和MWCNTs由于兩者間的吸附協(xié)同作用，裂紋需要更長(zhǎng)的路徑才能繞開顆粒，對(duì)裂紋的阻礙作用和浸漬膠部分力學(xué)性能的改善更為明顯，然而這種吸附作用使得納米增韌劑的團(tuán)聚性也更強(qiáng)。在納米增韌劑改性的浸漬膠中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的MWCNTs的試件（S0M4），拉伸強(qiáng)度最大；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的SiO2和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的MWCNTs的試件（S1M3），其斷裂伸長(zhǎng)率最長(zhǎng)；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的SiO2和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的MWCNTs的試件（S3M1）的彎曲強(qiáng)度最大。

2.3 CFRP板拉伸強(qiáng)度

基于VARI工藝，原位增韌的不同納米增韌劑浸漬膠CFRP板的拉伸強(qiáng)度變化規(guī)律如圖11所示。從圖11可以看出，當(dāng)單摻納米增韌劑時(shí)，隨著摻量的增加，CFRP板的拉伸強(qiáng)度先增加后下降；當(dāng)單摻SiO2時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的試件C-S4M0的最大拉伸強(qiáng)度為1 233.82 MPa，較試件C-S0M0的最大拉伸強(qiáng)度（931.72 MPa）提升了32.42%；單摻MWCNTs時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的試件C-S4M0的最大拉伸強(qiáng)度1 154.80 MPa，較試件C-S0M0的提升了23.94%；總摻量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，試件C-S4M0表現(xiàn)出最大的拉伸強(qiáng)度，高于單摻MWCNTs和混摻納米增韌劑的試件。一方面，浸漬膠的力學(xué)性能得到改善，從而增強(qiáng)了CFRP板的拉伸強(qiáng)度；另一方面，納米增韌劑連著碳纖維和浸漬膠，同時(shí)填充了碳纖維與浸漬膠之間的空隙，提高了碳纖維與基體的界面力，使得納米增韌劑、浸漬膠和碳纖維三者之間的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更為緊密。在所有試件中，C-S4M0表現(xiàn)出最高的拉伸強(qiáng)度，可能是與CFRP板的制作過程有關(guān)。圓形的SiO2和浸漬膠混合時(shí)，流動(dòng)性更好，過濾更流暢，受到上層CFRP布的阻擋較小，能更充分地浸潤(rùn)C(jī)FRP布，改善效果更好。

圖11 不同納米增韌劑與CFRP板拉伸強(qiáng)度的關(guān)系Fig.11 Relationship between different nano tougheners and tensile strength of the CFRP plate

1） 隨著納米增韌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，浸漬膠的黏度逐漸增大，相同摻量下各浸漬膠黏度大小為：混摻納米SiO2和MWCNTs >單摻MWCNTs >單摻納米SiO2。當(dāng)混摻摻量不變時(shí)，MWCNTs的占比越大，浸漬膠黏度越高。

2） 納米增韌劑能顯著改善浸漬膠的力學(xué)性能。單摻納米增韌劑時(shí)，浸漬膠的力學(xué)性能隨著摻量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，同摻量下混摻納米增韌劑可以進(jìn)一步提升浸漬膠的部分力學(xué)性能。所有納米增韌試件中，浸漬膠的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和彎曲強(qiáng)度最高分別提升了20.04%、75.27%和36.82%，分別為65.58 MPa、11.48%和142.13 MPa。

3） 納米增韌劑增強(qiáng)了浸漬膠的性能，同時(shí)連接著碳纖維與浸漬膠，并填充了碳纖維與浸漬膠之間的空隙，顯著提升了CFRP板的拉伸強(qiáng)度。采用VARI工藝對(duì)CFRP板原位增韌時(shí)，浸漬膠中含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的SiO2增韌劑的CFRP板，表現(xiàn)出最好的改善效果，其拉伸強(qiáng)度提升了32.42%，達(dá)1 233.82 MPa。