ABC联邦大学《ACS Omega》：混合纳米填料增强碳纤维增强聚合物复合材料，用于雷击保护

成果简介

航空业依赖轻质碳纤维增强聚合物（CFRP）来提高燃油效率，这就需要使用雷击防护（LSP）和电磁屏蔽，因为它们具有电绝缘特性。用于 LSP 的传统金属网既重又易腐蚀，因此需要探索替代品。本文，巴西ABC联邦大学Danilo Justino Carastan等研究人员在《ACS Omega》期刊发表名为“Hybrid Nanofiller-Enhanced Carbon Fiber-Reinforced Polymer Composites (CFRP) for Lightning Strike Protection (LSP)”的论文，研究展示了通过加入石墨烯纳米片（GNPs）和碳纳米管（CNTs）增强 LSP 性能的 CFRP 纳米复合材料。虽然纳米填充环氧基体中增强的导电性不会影响 CFRP 面板的整体导电性，但在模拟雷击试验后观察到其损坏率显著降低。

文献中的类似方法也注意到了这一差异，但没有尝试进行调和。这项工作提供了一个框架来解释损坏减少机制，同时说明纳米增强 CFRP 的传导性略有改善。此外，基于二苯酮的荧光，提出了一种简单、无损的方法来评估雷击测试后的表面树脂降解情况。通过电导率测量、使用建议的紫外线照明方法进行损伤模式评估、ATR-傅立叶变换红外光谱以及模拟雷击前后的扫描电子显微镜分析，为讨论提供了支持。

图文导读

图1.本研究中使用的三种负载条件的示意图

图2.所用纳米颗粒的代表性 SEM 显微照片，以及 CNT 直径 （a） 和 GNP 横向尺寸 （b） 测量值的直方图。GNP薄片的代表性AFM显微照片及其厚度分布（c）。

图3.进行模拟雷击测试的CFRP样品的制备过程示意图。

图4.CFRP试样的实验装置（模拟雷击后拍摄的照片）。

图5.提出了不同电压水平下CFRP响应的机制图示。在低电压下，电荷主要通过高导电性碳纤维传播，即使纳米填充的环氧树脂基体的导电性在纯环氧树脂上有所提高。然而，在雷击模拟过程中，电场足够高，可以驱动一些电流通过纳米填充的基质，与非增强基质相比，分散电流并减少纤维周围的局部热量。

小结

研究了碳基纳米填料对雷击损伤的耐受性及其影响。比较了单层原始碳纤维增强塑料（e-CFRP）和填充了 3 wt % 石墨烯纳米片（GNP-CFRP）或 2.5 wt % 石墨烯纳米片和 0.5 wt % 碳纳米管组合（GNP/CNT-CFRP）的纳米复合材料。结论如下：

1. 1加入碳基纳米填料后，环氧基体的导电性明显提高。石墨烯填充的环氧树脂在 2.11 wt % GNP 的水平上达到了渗流效果。GNP 和 CNT 填料的组合进一步提高了环氧基体的导电性，这很可能是由于它们的长径比不同，从而防止了团聚。尽管添加纳米填料后基体本身的导电性明显提高，但不同 CFRP 复合材料之间的导电性没有明显改善。
2. 加入碳基纳米填料后，耐损伤性明显增强。混合填充物（GNP/CNT-CFRP）的耐受性最好，热解和树脂劣化明显减少。这要归功于纳米填料的网络，它能有效地在径向分散电流。
3. 首次讨论了在 CFRP 样品整体导电性没有显著增强的情况下提高雷击耐受性的问题。这归因于材料在不同电压水平下的不同反应，这使得仅通过标准电导率测量难以预测纳米加固的有效性。
4. 通过拟议的紫外光照射方法，可有效检测树脂劣化，证明了其作为损伤评估补充技术的价值。雷击后热引起的树脂劣化导致环氧系统氧化，形成荧光二苯酮实体。这种降解也可以通过 ATR-FTIR 进行检测。

文献：https://doi.org/10.1021/acsomega.4c03272