碳纤维增强复合材料(CFRP)具有质地轻、耐热性、力学性能可设计等优点，在航空航天、高速列车中轻质高强、抑振减噪等领域发挥重要作用[1-2]。CFRP阻尼性能与树脂基体性质相关联，树脂基体固化后存在脆性高、抗冲击性差、内应力大[3-4]等问题，导致CFRP易出现相邻铺层分离的现象，严重影响材料使用寿命[5]。将片状聚氨酯填料引入环氧树脂基体中制备高阻尼CFRP，能够兼顾力学性能同时提高复合材料阻尼性能，为CFRP多功能化提供有效途径。近年来，学者们主要研究片状聚氨酯填料对CFRP力学性能的影响[6-7]。片状聚氨酯填料具有比表面积大和高模量的特点[8]，与环氧树脂基体混合后发生键合，减少碳纤维与环氧树脂界面之间的局部应力集中，提高了复合材料的力学性能。牛牧童等[9]通过熔融共混制备绢云母改性碳纤维/环氧树脂复合材料。研究表明：当绢云母为10份时，复合材料的力学性能得到改善，同时具有较低的体积电阻率。陈天华[10]通过热成形工艺将石墨/碳纳米管添加至CFRP中，发现两者之间存在协同效应，摩擦磨损性能得到进一步提升。Pathak等[11]通过压缩成型技术制备了氧化石墨烯(GO)改性的CFRP。研究表明：GO含量为0.3%时，复合材料弯曲性能得到大幅度提升。但同时提高力学和阻尼性能的报道较少。本实验通过片状聚氨酯填料制备新型CFRP。通过弯曲试验和层间剪切试验对CFRP力学性能进行评价，通过锤击法研究不同含量片状聚氨酯填料对CFRP阻尼性能的影响，并结合SEM对树脂块体试样断口进行机理分析，为今后片状聚氨酯填料在CFRP广泛应用提供参考。1实验部分1.1主要原料碳纤维布(CF)，T300，平纹，密度1.8 g/cm3，弹性模量约为230 GPa，日本东丽株式会社；环氧树脂(EP)，E51，常温黏度11 000 mPa·s，密度1.15 g/cm3、W93固化剂，常温黏度80~120 mPa·s，密度0.98 g/cm3，昆山久利美电子材料有限公司；片状聚氨酯填料，直径6~8 µm，实验室自制。间甲苯异氰酸酯，纯度99%，上海麦克林生化科技有限公司；阿拉伯胶，黏度33~35 mPa.s、PEG400，黏度6.8~8.0 mPa.s、三乙烯四胺，纯度70%、乙酸乙酯，纯度99.5%，上海泰坦化学有限公司。1.2仪器与设备超声波清洗器，KQ-50E，昆山市超声仪器有限公司；真空干燥箱，DZF-6012、鼓风干燥箱，DHG-9140A，上海一恒科学仪器有限公司；真空泵，SHB-Ⅲ，巩义市予华仪器有限责任公司；电子万能试验机，WDW-50，山东奥仁仪器有限公司；场发射扫描电子显微镜(SEM)，TESCAN MIRA LMS，泰思肯（中国）有限公司。1.3样品制备1.3.1片状聚氨酯填料制备将阿拉伯胶(0.85%)溶解在200 mL去离子水中，将定量的间甲苯异氰酸酯和PMX200添加至15 mL乙酸乙酯溶液中充分混合。将上述两种溶液移至500 mL三口烧瓶，在2 000 r/min下搅拌5 min，在室温下以600 r/min转速匀速滴加PEG400(3 g)，反应15 min。向烧瓶中加入一定量三乙烯四胺，40 min后水浴温度升至70 ℃，反应维持2.5 h。最后，匀速添加1 g三乙烯四胺，反应保持1 h。洗涤过滤产物，60 ℃下干燥24 h获得最终产物。1.3.2复合材料制备CFRP是以EP为基体，CF为增强体。将CF置于乙醇溶液浸润12 h后，利用去离子水反复冲洗，放入鼓风干燥箱中去除水分。表1为不同含量片状聚氨酯改性EP/CF复合材料的配方。在保证CF体积含量和复合材料板厚度不变的前提下，按照表1配方，取EP和片状聚氨酯总质量为15 g，以质量分数为3%的片状聚氨酯填料改性EP基体为例，14.55 g EP在60 ℃下加热10 min。称取0.45 g片状聚氨酯填料超声使其充分溶解，搅拌加热至EP中的乙醇全部挥发，得到填料均匀分散的EP悬浮液。将固化剂按照m(W93)∶m(E51)=1∶3的比例滴入制备的EP悬浮液，搅拌5 min放入真空干燥箱内抽气20 min以排除气泡，浇注到预先准备的样品槽内，60 ℃加热2 h。将混合液采用手糊法双面刷涂到CF上，使用真空袋法制成预浸料。预浸料CF面密度为200 g/m2，EP悬浮液含量控制在40%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.001.T001表1不同含量片状聚氨酯改性EP/CF复合材料的配方Tab.1Formula of EP/CF composites modified with different content flake polyurethane序号试样EP/g片状聚氨酯填料/gV（CF）/%1纯EP15.000602EP/CF/1%片状聚氨酯填料14.850.15603EP/CF/3%片状聚氨酯填料14.550.45604EP/CF/5%片状聚氨酯填料14.250.75605EP/CF/10%片状聚氨酯填料13.501.5060将预浸料裁剪成相应尺寸，手工铺层方式顺序堆叠10层，所得板材厚度约为2 mm。根据固化过程需将温度从室温升至120 ℃，持续150 min，以完成片状聚氨酯增强CFRP的固化成型，固化后复合材料板的CF体积分数控制在60%。1.4性能测试与表征弯曲性能测试：按GB/T 3356—2014[12]进行测试，试样尺寸为80 mm×12.5 mm×2 mm，跨距为64 mm。层间剪切测试：按JC/T 773—2010[13]进行测试，试样尺寸为20 mm×6 mm×2 mm，试验加载速度2 mm/min。阻尼性能测试：采用锤击法研究片状聚氨酯填料含量对CFRP阻尼性能的影响，通过力锤在敲击点分别敲击三次，三次数据的平均值作为复合材料阻尼值。SEM分析：加速电压为5 kV，观察前需在断裂面进行喷金处理，对EP/CF/3%片状聚氨酯填料层间断裂后横截面的微观形貌进行观察。2结果与讨论2.1复合材料力学性能图1为不同含量片状聚氨酯填料改性下CFRP弯曲性能。从图1a可以看出，片状聚氨酯填料含量为1%时，CFRP弯曲强度与纯EP相比提高14.4%，为937.69 MPa。当片状聚氨酯填料含量为10%时，CFRP弯曲强度为749.518 MPa，与纯EP相比降低8.55%。添加过多片状聚氨酯填料导致填料产生局部团聚[14]，CFRP弯曲强度降低。从图1b可以看出，弯曲模量变化较小，片状聚氨酯填料含量为1%时，CFRP弯曲模量达到最大值，比纯EP相比提高14.74%，因为模量主要取决于材料自身的性能[15]。片状聚氨酯填料可以作为分散相，以相对独立的形态均匀分布于整个复合材料，在CFRP中添加适量片状聚氨酯填料可以有效改善其内部结合力，减小复合材料在固化过程中产生的内应力，提高弯曲强度和模量。图1不同含量片状聚氨酯填料改性下CFRP的弯曲性能Fig.1Flexural properties of CFRP modified by different content of flake polyurethane filler10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.001.F1a1(a)弯曲强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.001.F1a2(b)弯曲模量层间剪切强度是评价CFRP层间性能的重要手段。图2为不同含量片状聚氨酯填料改性下CFRP的层间剪切强度。从图2可以看出，层间剪切强度的变化规律与弯曲强度具有相似趋势，均随着填料含量不断提升，层合板层间剪切强度先上升后下降。片状聚氨酯填料含量3%时，与纯EP相比CFRP的层间剪切强度提升12.07%。填料含量10%时，与纯EP相比CFRP的层间剪切强度降低10.77%。当片状聚氨酯填料均匀分布在CF表面时，改善了CF和EP之间的浸润性，增加CF层间结合力，层间剪切强度随之提高。当片状聚氨酯填料含量过高，填料产生局部聚集，导致CF与EP基体之间结合力降低，层间剪切强度也降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.001.F002图2不同含量片状聚氨酯填料改性下CFRP的层间剪切强度Fig.2Interlaminar shear strength of CFRP modified by different content of flake polyurethane filler图3为EP/CF/3%片状聚氨酯填料层间断裂横截面的SEM照片。从图3可以看出，片状聚氨酯在EP基体中均匀分布，在EP断裂面上出现孔洞，表明在断裂过程中片状聚氨酯从树脂基体中被拉出，有效转移CF与基体之间载荷，相应地提高了复合材料力学性能。随着片状聚氨酯填料含量不断增加，在复合材料界面断裂过程中，包裹在EP中的片状聚氨酯填料脱黏、产生裂纹，提升了树脂与CF层间黏结力，从而改善了复合材料层间性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.001.F003图3不同倍率下EP/CF/3%片状聚氨酯填料断裂面的SEM照片Fig.3SEM images of different magnification of EP/CF/3% flake polyurethane filler fracture surface2.2复合材料阻尼性能图4为不同含量片状聚氨酯填料改性下CFRP的阻尼比。从图4可以看出，片状聚氨酯填料含量从0增至10%，复合材料阻尼比从2.468%增至3.290%，复合材料阻尼比随着片状聚氨酯填料含量增加而增加。相比纯EP样品，片状聚氨酯填料含量为10%时，复合材料阻尼比提高33.01%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.001.F004图4不同含量片状聚氨酯填料改性下CFRP的阻尼比Fig.4Damping ratio of CFRP modified by different content of flake polyurethane filler表2为不同含量片状聚氨酯填料改性下复合材料阻尼比。从表2可以看出，片状聚氨酯填料增强复合材料的阻尼比分布于平均值上下，离散系数也较小。当片状聚氨酯填料含量从0增至5%时，复合材料阻尼比平均值增加18.31%，当片状聚氨酯填料含量从5%增至10%，复合材料阻尼比平均值增加12.67%，与郑长升[16]的研究中阻尼比随着黏弹性阻尼材料厚度的增加有着相似的趋势。随着片状聚氨酯填料含量增加，阻尼比随之增加，说明片状聚氨酯填料可以有效提升复合材料阻尼性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.001.T002表2不同片状聚氨酯填料含量复合材料阻尼比Tab.2Damping ratios of composites with different flake polyurethane fillers contents试样平行试验平均值离散系数12345纯EP2.292.512.542.412.592.4680.048EP/CF/1%片状聚氨酯填料2.412.482.682.732.512.5620.053EP/CF/3%片状聚氨酯填料2.742.592.752.712.722.7020.024EP/CF/5%片状聚氨酯填料2.942.922.862.962.922.9200.013EP/CF/10%片状聚氨酯填料3.493.213.163.313.283.2900.038%%3结论（1）在CFRP中加入适量片状聚氨酯填料可以有效提升复合材料力学性能和阻尼性能。片状聚氨酯填料含量为3%时，对应弯曲强度为870.402 MPa，较未添加片状聚氨酯填料的CFRP提高6.19%；层间剪切强度为52 MPa，较未添加片状聚氨酯填料的CFRP提高12.07%；通过观察改性树脂基体层间形貌可知，在复合材料界面断裂过程中，包裹在EP中的片状聚氨酯填料脱黏、产生裂纹，提升了树脂与CF层间黏结力，使两者间界面相互作用较未添加填料的CFRP更为稳固。（2）复合材料阻尼性能随着片状聚氨酯填料含量的增加呈现上升趋势，片状聚氨酯填料含量为3%时，复合材料阻尼比为2.702%，较未添加片状聚氨酯填料的CFRP提高9.48%。片状聚氨酯的添加可以有效提升复合材料阻尼性能，相对于其他阻尼材料制备方式更加简单可靠。（3）通过力学和阻尼性能测试并结合改性树脂基体断裂面微观形貌分析，可以得出片状聚氨酯填料在树脂基体中最佳配比为3%，此时CFRP力学性能和阻尼性能都得到一定限度的提升。