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  高性能纖維憑借其優(yōu)異的力學(xué)特性, 化學(xué)穩(wěn)定性及其特種功能性, 成為高性能復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體材料, 和航空航天、軍工國(guó)防、工業(yè)、醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域的新寵。纖維/基體樹脂的界面性能一直是纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的薄弱環(huán)節(jié), 因此如何通過對(duì)纖維表面的改性來提高其界面結(jié)合一直是復(fù)合材料研究的熱點(diǎn), 具有重要的意義。但纖維表面光滑并缺乏活性反應(yīng)基團(tuán), 與樹脂基體粘結(jié)性差, 存在較多界面缺陷, 嚴(yán)重影響了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和耐久性。因此, 尋找一種改善纖維表面缺陷并提高界面性能的方法, 一直是高性能纖維材料領(lǐng)域亟待解決的問題。

  隨著納米制造業(yè)的快速發(fā)展，將納米尺度的材料（例如碳納米管）與大尺度纖維材料結(jié)合是改善纖維表面性能的一種有效手段， 利用納米纖維的高比表面積來增加界面結(jié)合力從而更加均勻分散復(fù)合材料受力。但如何將納米材料高效穩(wěn)定的固定在纖維表面， 一直是學(xué)術(shù)界試圖解決的問題。之前報(bào)道過的的方法包括化學(xué)處理，原位生長(zhǎng)，物理黏附等，這些很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的納米材料固定和纖維材料的無損加工。

  近日，美國(guó)特拉華大學(xué)付堃教授與青島科技大學(xué)杜愛華教授聯(lián)合提出了一種新穎的跨尺度制造概念來處理納米材料與微米尺度纖維材料的焊接工藝，并成功地展示了一種電熱沖擊方法來處理具有良好結(jié)合力和優(yōu)異機(jī)械性能的碳納米材料/玻璃纖維界面焊接的應(yīng)用。由于采用瞬時(shí)納米焊接技術(shù)，玻璃纖維的本體結(jié)構(gòu)和性能在快速電熱沖擊下并未損傷，保持了原有玻璃纖維力學(xué)性質(zhì)。通過單纖維拉拔試驗(yàn)測(cè)量了碳納米管/玻璃纖維與環(huán)氧樹脂之間的界面剪切應(yīng)力（IFSS）比純玻璃纖維與環(huán)氧樹脂之間的提高了約54.2%。電熱沖擊技術(shù)的優(yōu)異性能和潛在的較低成本為跨規(guī)模制造提供了一種連續(xù)、超快速、高能效和能夠連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)的工藝，可以為納米-宏觀的跨規(guī)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(fā)表在期刊《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。第一作者為商元元（青島科技大學(xué)&特拉華大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士）和史寶會(huì)（東華大學(xué)&特拉華大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士），通訊作者為付堃教授和杜愛華教授。

  電熱沖擊焊接技術(shù)過程是：通過施加脈沖電壓，導(dǎo)電的碳納米層產(chǎn)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�？焖俣啻窝h(huán)電熱沖擊可以為納米焊接提供快速、高溫的環(huán)境，同時(shí)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(fù)合材料制造

（a）電熱沖擊設(shè)計(jì)原理示意圖。

（b）電熱沖擊過程示意圖。

（c）帶有兩個(gè)電極的CNT涂層玻璃纖維長(zhǎng)絲的照片圖像，示意圖顯示了通過反復(fù)的電流開關(guān)實(shí)現(xiàn)的電熱沖擊。

（d）CNT/玻璃纖維在1.5s內(nèi)電熱沖擊過程中的溫度與時(shí)間關(guān)系。

（e）在電熱沖擊周期中電阻的變化。

（f）不同纖維長(zhǎng)度的CNT/玻璃纖維在電熱沖擊前后的電阻。

  圖二、研究人員對(duì)焊接后的碳納米管/玻璃纖維形貌做了詳細(xì)研究，結(jié)果表明焊接后的碳納米管/玻璃纖維具有良好的機(jī)械結(jié)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(jīng)受劇烈的超聲波作用而不會(huì)脫落。

（a）焊接CNT/玻璃纖維結(jié)構(gòu)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(cè)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(wǎng)絡(luò)在與玻璃纖維的接觸區(qū)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(wǎng)絡(luò)，在玻璃纖維和碳納米管之間形成牢固的結(jié)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(yīng)力-應(yīng)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(qiáng)度和韌性的對(duì)比。

  圖四、焊接后的碳納米管/玻璃纖維長(zhǎng)絲具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、柔韌性和導(dǎo)電性，保持了與原玻璃纖維相似的物理機(jī)械性能。

（a）用電熱沖擊法制備的CNF/玻璃纖維連續(xù)焊接長(zhǎng)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(jié)和卷曲。

（c）燈絲（長(zhǎng)6cm）在不同電流下的溫度-時(shí)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(zhuǎn)和分裂過程中保持穩(wěn)定的溫度。

（f）燈絲表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)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(jié)構(gòu)完整性和堅(jiān)固性。

（g）纏繞在手指上的CNT/玻璃纖維焊接細(xì)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(yīng)用。

  圖五、焊接CNT/玻璃纖維作為結(jié)構(gòu)和功能加熱器的示意圖

（a）單纖維拔出試驗(yàn)示意圖。

（b）玻璃纖維和CNT/玻璃纖維的界面剪切應(yīng)力。

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

（d）機(jī)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(fù)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(xù)制造示意圖

（a）焊接CNT/玻璃纖維的連續(xù)、連續(xù)生產(chǎn)的制造工藝示意圖。

（b）雷達(dá)圖定性地比較了本工作與代表性策略（包括化學(xué)氣相沉積（CVD）、電泳沉積（EPD）、非共價(jià)浸漬/噴涂，共價(jià)化學(xué)接枝）的電熱沖擊的鍵合強(qiáng)度、機(jī)械穩(wěn)定性、效率（時(shí)間和能量）、可擴(kuò)展性和滾動(dòng)可行性等五個(gè)方面性能。

  在本工作中，作者提出了一個(gè)跨尺度制造的概念來加工多尺度的復(fù)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(jī)械性能的同時(shí)，以良好的結(jié)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(chǎn)生高溫。碳納米管與玻璃纖維表面的結(jié)合，使納米碳管與玻璃纖維表面的結(jié)合更為牢固。玻璃纖維經(jīng)超快電熱沖擊后，其本體結(jié)構(gòu)保持完好，保持了原有優(yōu)良的力學(xué)性能。電熱沖擊技術(shù)的優(yōu)異性能和潛在的較低成本為跨多個(gè)長(zhǎng)度尺度的材料交叉規(guī)模制造提供了一種連續(xù)、超快速、節(jié)能、機(jī)械堅(jiān)固、低成本和連續(xù)生產(chǎn)的工藝。后續(xù)還有更多相關(guān)科研成果，歡迎關(guān)注！

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

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c09549

課題組簡(jiǎn)介：

  付堃，美國(guó)特拉華大學(xué)（University of Delaware）機(jī)械工程系助理教授， 博士生導(dǎo)師。同時(shí)任職于特拉華大學(xué)復(fù)合材料中心。2009年本科畢業(yè)于東華大學(xué)，2014年獲得美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)纖維與高分子科學(xué)博士學(xué)位。2015-2017年在美國(guó)馬里蘭大學(xué)材料科學(xué)與工程系從事博士后研究，2017-2018年在美國(guó)馬里蘭大學(xué)能源創(chuàng)新中心任助理研究科學(xué)家。2018年加入美國(guó)特拉華大學(xué)，建立復(fù)合材料與增加工實(shí)驗(yàn)室（Composites & Additive Manufacturing Laboratory）開展獨(dú)立科研工作。付堃教授在多尺度結(jié)構(gòu)和功能纖維材料設(shè)計(jì)/制造/改性以及高性能復(fù)合材料創(chuàng)新與應(yīng)用方面有近15年科研經(jīng)歷，獲得了包括美國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)青年科學(xué)家獎(jiǎng) (ASC/DEStech Young Composites Researcher Award), 北美復(fù)合材料SAMPE學(xué)會(huì) Young Professionals Emerging Leadership Award等多個(gè)纖維和復(fù)合材料領(lǐng)域重要獎(jiǎng)項(xiàng)。目前付堃教授團(tuán)隊(duì)主要從事多尺度下纖維及復(fù)合材料的智能制造工作，技術(shù)涵蓋材料，工業(yè)設(shè)計(jì)，人工智能，功能化應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)近期實(shí)現(xiàn)了世界上首個(gè)高性能連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱固樹脂復(fù)合材料3D打印技術(shù)，并獲得了美國(guó)航空航天局（NASA）資助，開展3D打印高性能碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵部件研發(fā)工作。付堃教授擔(dān)任多個(gè)國(guó)際知名纖維與復(fù)合材料學(xué)術(shù)期刊的編委和客座編輯，迄今共發(fā)表過論文100余篇， 總引用8500余次， i10因子76， 取得4項(xiàng)美國(guó)專利，相關(guān)成果發(fā)表在Nature Materials, PNAS, Matter, Nano Letters, Advanced Materials 等知名國(guó)際期刊。

  付堃教授積極尋求長(zhǎng)期科研和商業(yè)合作伙伴，歡迎具有科研熱情的本科，碩士，博士研究生，訪問學(xué)生學(xué)者以及投資人來信來電，不忘初心，暢談理想，共創(chuàng)未來。課題組主頁：www.kfu-group.com.