ACS AMI：首次實現碳納米材料/玻璃纖維界面焊接

【研究背景】

高性能纖維憑借其優異的力學特性,化學穩定性及其特種功能性,成為高性能復合材料的理想增強體材料,和航空航天、軍工國防、工業、醫療等應用領域的新寵。纖維/基體樹脂的界面性能一直是纖維增強樹脂基復合材料的薄弱環節,因此如何通過對纖維表面的改性來提高其界面結合一直是復合材料研究的熱點,具有重要的意義。但纖維表面光潔圓滑缺乏活性反應基團,與樹脂基體粘結性差,存在較多界面缺陷,很大程度上影響了材料的性能。因此,尋找一種改善纖維表面缺陷并提高界面性能的方法,是高性能纖維材料領域亟待解決的問題。

隨著納米制造業的快速發展，將納米材料與不宏觀纖維材料結合是改善纖維表面性能的一種有效手段。但是在制備過程中，試圖將納米材料組裝到宏觀材料上往往伴隨著特殊納米尺度性能的喪失，這主要是由于納米碳材料與宏觀塊體材料接觸不良所致。此外，如果沒有有效的方法將其正確組裝，可能會引起健康和環境影響方面的嚴重安全問題。

【成果簡介】

近日，美國特拉華大學付堃教授與青島科技大學杜愛華教授聯合提出了一種新穎的跨尺度制造概念來處理不同長度尺度的材料，并成功地展示了一種電熱沖擊方法來處理具有良好結合力和優異機械性能的碳納米材料/玻璃纖維界面焊接的應用。由于采用瞬時納米焊接技術，玻璃纖維的本體結構和性能在快速電熱沖擊下并未損傷，保持了原有的材料性質。通過單纖維拉拔試驗測量了碳納米管/玻璃纖維與環氧樹脂之間的界面剪切應力（IFSS）比純玻璃纖維與環氧樹脂之間的提高了約54.2%。電熱沖擊技術的優異性能和潛在的較低成本為跨規模制造提供了一種連續、超快速、高能效和能夠連續大規模生產的工藝，可以為納米-宏觀的跨規模制造提供最有希望的解決方案。該文章近日以題為“Rapid nano-welding of carbon coatings onto glass fibers by electrothermal shock”發表在知名期刊《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。第一作者為商元元（青島科技大學&特拉華大學聯合培養博士）和史寶會（東華大學&特拉華大學聯合培養博士），通訊作者為付堃教授和杜愛華教授。

【圖文導讀】

電熱沖擊焊接技術過程是：通過施加脈沖電壓，導電的碳納米層產生焦耳熱，這些熱量可以提高局部溫度并使玻璃纖維材料局部熔化，從而將納米材料與宏觀材料焊接。快速多次循環電熱沖擊可以為納米焊接提供快速、高溫的環境，同時避免了碳納米材料和固體纖維材料的降解。

圖一、電熱沖擊用于多尺度復合材料制造

（a）電熱沖擊設計原理示意圖。

（b）電熱沖擊過程示意圖。

（c）帶有兩個電極的CNT涂層玻璃纖維長絲的照片圖像，示意圖顯示了通過反復的電流開關實現的電熱沖擊。

（d）CNT/玻璃纖維在1.5s內電熱沖擊過程中的溫度與時間關系。

（e）在電熱沖擊周期中電阻的變化。

（f）不同纖維長度的CNT/玻璃纖維在電熱沖擊前后的電阻。

圖二、研究人員對焊接后的碳納米管/玻璃纖維形貌做了詳細研究，結果表明焊接后的碳納米管/玻璃纖維具有良好的機械結合性能。碳納米管可以被嵌入玻璃纖維表面并被錨固，在水溶液中經受劇烈的超聲波作用而不會脫落。

（a）焊接CNT/玻璃纖維結構示意圖。

（b）非沖擊和沖擊CNT/玻璃纖維在水中超聲處理前后的照片圖像（t=3h）。

（c-f）（c）原始玻璃纖維，（d）未焊接的CNT/玻璃纖維（熱沖擊前），（e）焊接的CNT/玻璃纖維（熱沖擊后），和（f）超聲波清洗去除過量CNT后的焊接CNT/玻璃纖維的側視圖。

（g-h）放大玻璃纖維表面焊接CNT的掃描電鏡圖像。

（i-k）焊接CNT/玻璃纖維的橫截面圖。

圖三、玻璃纖維表面包覆的碳納米管網絡在與玻璃纖維的接觸區起到納米加熱器的作用，熔融玻璃可以物理地錨定這些碳納米管網絡，在玻璃纖維和碳納米管之間形成牢固的結合，從而提高了玻璃纖維的韌性。

（a）玻璃纖維和焊接CNT/玻璃纖維的熱重分析。

（b）焊接前后CNT/玻璃纖維的拉曼光譜。

（c）純玻璃纖維和焊接CNT/玻璃纖維的應力-應變曲線。

（d-f）純玻璃纖維與焊接CNT/玻璃纖維的拉伸模量、拉伸強度和韌性的對比。

圖四、焊接后的碳納米管/玻璃纖維長絲具有優異的結構穩定性、柔韌性和導電性，保持了與原玻璃纖維相似的物理機械性能。

（a）用電熱沖擊法制備的CNF/玻璃纖維連續焊接長絲。

（b）焊接CNT/玻璃纖維的照片圖像：碳納米管涂層均勻、彎曲性好、柔韌性好，可扭曲、打結和卷曲。

（c）燈絲（長6cm）在不同電流下的溫度-時間曲線。

（d）不同電流下的加熱和冷卻速率。

（e）紅外圖像顯示焦耳加熱的燈絲在彎曲、扭轉和分裂過程中保持穩定的溫度。

（f）燈絲表現出優異的機械強度，可以舉起784g的錘子，帶有錘子的焊接CNT/玻璃的紅外圖像可以證明CNT/玻璃纖維的結構完整性和堅固性。

（g）纏繞在手指上的CNT/玻璃纖維焊接細絲的照片和紅外圖像，展示了其在可穿戴加熱器件中的潛在應用。

圖五、焊接CNT/玻璃纖維作為結構和功能加熱器的示意圖

（a）單纖維拔出試驗示意圖。

（b）玻璃纖維和CNT/玻璃纖維的界面剪切應力。

（c）比較了化學氣相沉積（CVD）、電泳沉積（EPD）、非共價浸漬/噴涂涂層、共價化學接枝（CCG）以及本工作的界面剪切應力（IFSS）。

（d）機翼蒙皮的照片圖像與焊接的CNT/玻璃纖維纏繞在一起。

（e）電熱CNT/玻璃纖維的原理圖和紅外圖像。

（f）固化復合材料的圖像，碳納米管的焦耳熱可以使液體樹脂升溫固化。

圖六、焊接CNT/玻璃纖維的可伸縮、連續制造示意圖

（a）焊接CNT/玻璃纖維的連續、連續生產的制造工藝示意圖。

（b）雷達圖定性地比較了本工作與代表性策略（包括化學氣相沉積（CVD）、電泳沉積（EPD）、非共價浸漬/噴涂，共價化學接枝）的電熱沖擊的鍵合強度、機械穩定性、效率（時間和能量）、可擴展性和滾動可行性等五個方面性能。

【結論展望】

在本工作中，作者提出了一個跨尺度制造的概念來加工多尺度的復合材料，并成功地證明了一種電熱沖擊方法，可以在保持良好機械性能的同時，以良好的結合力來處理納米材料（CNT）和宏觀尺度材料（玻璃纖維）。電熱沖擊利用碳材料的焦耳加熱產生高溫。碳納米管與玻璃纖維表面的結合，使納米碳管與玻璃纖維表面的結合更為牢固。玻璃纖維經超快電熱沖擊后，其本體結構保持完好，保持了原有優良的力學性能。電熱沖擊技術的優異性能和潛在的較低成本為跨多個長度尺度的材料交叉規模制造提供了一種連續、超快速、節能、機械堅固、低成本和連續生產的工藝。

文獻鏈接：Rapid nano-welding of carbon coatings onto glass fibers by electrothermal shock (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, DOI: 10.1021/acsami.0c09549)

本文由大兵哥供稿。

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