碳纤维增强聚合物(CFRP)具有高比模量、高比强度和良好的成形性，广泛应用于建筑材料、运动装备和风力涡轮机等领域。然而，CFRP在使用过程中受到循环和冲击载荷，可能产生噪声并缩短使用寿命，对CFRP阻尼特性的研究逐渐受到关注[1-2]。Tsimouri等[3]以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为核心层制备CFRP聚合物，利用PDMS薄片层内引起的高剪切变形实现CFRP聚合物的高阻尼。杨飒等[4]研究了纳米纤维素对复合材料的增强特性，分析了增强后材料损伤演变过程，表明复合材料的界面性能得到有效提高，复合材料具有较强的抗弯特性。韩珩等[5]研究了树脂基复合材料的力学特性。结果表明：复合材料具有较优的阻尼特性以及热稳定性。武海鹏[6]通过实验研究了不同参数对复合材料的阻尼影响规律。结果表明：玻璃纤维的加入提升复合材料的阻尼性能。杨铮鑫等[7]研究了不同聚氨酯填料含量对碳纤维增强复合材料的阻尼特性。结果表明：增加聚氨酯填料含量有利于提升阻尼性能。崔胜恺等[8]通过混合加工合成了聚氨酯弹性体，研究不同多元醇种类对聚氨酯弹性体的阻尼性能的影响。但是目前多层碳纳米填料的界面滑动对CFRP复合材料阻尼性能的影响尚未确定[9-10]。本实验针对碳纤维的高模量限制CFRP的变形，加入氧化石墨烯(GO)填料以增加沿碳纤维方向的能量耗散。采用动态力学分析仪(DMA)测量CFRPs的阻尼损耗因子，提出基于应变能法的有限元参数分析方法，通过参考实验数据获得多层GO的相间阻尼特性。1实验部分1.1主要原料碳纤维织物，T300，拉伸模量为250 GPa，厚度为(0.15±0.05) mm，质量为(200±6) g/m2，日本东丽工业公司；环氧树脂，Araldite LY 1564、固化剂，Aradur 22962，美国亨斯曼工业公司；多层氧化石墨烯(GO)，层数为5~10层，直径为5~50 μm，苏州碳丰石墨烯科技公司。1.2仪器与设备扫描电镜(SEM)、能量色散X射线能谱仪(EDS)，JSM7600F，日本JEOL株式会社；超深度光学显微镜(OM)，VHX-1000C，日本KEYENCE株式会社；动态机械分析仪(DMA)，Q800，美国TA公司。1.3样品制备1.3.1表面涂有氧化石墨烯的碳织物的制备为了确保GO薄片与碳纤维的方向一致，使用电泳沉积(EPD)方法沉积GO[11-12]。将原料炭织物(R-CF)在25 ℃的丙酮中浸泡48 h去除施胶剂，将织物用去离子水洗涤，在60 ℃的真空烘箱中干燥3 h，以获得干燥的碳织物(D-CF)。将GO溶液和D-CF分别作为EPD的介质和电极。GO在电场作用下移动并沉积在碳纤维表面上，经过EPD处理后，D-CF表面涂有GO，材料记为GO-CF。1.3.2CFRP的制备使用真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)制作复合材料样品，在真空负压的驱动下，环氧树脂和固化剂按质量比为4∶1混合并渗透到碳纤维织物中[13]。样品在78 ℃固化8 h得到CFRP，R-CF制备的CFRP命名为C-CFRP，用D-CF制备的复合材料命名为D-CFRP，用GO-CF制备的复合材料命名为GO-CFRP。不同CFRP的碳纤维体积分数在55%~60%之间，层压板的空隙体积含量为~0.2%。1.4性能测试与表征SEM和EDS分析：利用扫描电镜和扫描电镜上的能量色散X射线能谱仪，对碳织物的表面形貌和元素含量进行观察[14-15]。OM测试：采用超深度光学显微镜观察碳纤维增强聚合物切片的表面形貌。阻尼性能测试：通过DMA测量阻尼损耗因子(η)[16-17]。样本尺寸为50.0 mm×10.0 mm×1.0 mm，试验在三点弯曲模式下进行[18]。温度范围为从-45~220 ℃，加热速率为1 ℃/min，频率为1 Hz，动态应变为0.018%。采样间隔为0.1 Hz。测试温度为20 ℃，恒定动态应变为0.018%。由于GO界面滑动程度随应变场变化[19-20]，测试应变范围为0.01%~0.23%。2结果与讨论2.1碳纤维织物的SEM和EDS分析图1为碳纤维表面在不同阶段的SEM照片和EDS谱图。从图1a可以看出，由于施胶剂作用于表面，R-CF表面相对整齐光滑。从图1c可以看出，D-CF表面上存在许多沟槽。从图1e可以看出，EPD技术在纤维表面形成均匀的GO涂层。图1b~图1f可以看出，GO-CF中氧原子的百分比明显增加，说明碳纤维表面存在GO。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.010.F001图1碳纤维表面在不同阶段的SEM照片和EDS谱图Fig.1SEM images and EDS spectra of carbon fiber surface at different stages图2为GO-CF的局部SEM照片和碳氧分布。从图2a可以看出，部分GO薄片从碳纤维表面突出来。在VARTM工艺过程中，如果GO薄片没有被树脂带到碳纤维表面，可以通过与基体之间的界面黏滑摩擦增强阻尼。从图2b~图2c可以看出，GO在碳纤维表面分布均匀。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.010.F002图2GO-CF的局部SEM照片和碳氧分布Fig.2Partial SEM images and carbon and oxygen distribution of GO-CF图3为碳纤维织物的表面形态。从图3可以看出，与D-CF相比，GO-CF样品上可以观察到蓝色色调，与GO的存在有关。图4为碳织物的显微结构。从图4a可以看出，与D-CF相比，蓝色表示纤维表面存在GO。图4b中较高倍率下的红色矩形区域表明，由于GO产生光折射，光纤表面在光学显微镜下变得有颜色。EPD是一种有效且直接的方法，在碳纤维上涂GO，保持碳纤维和GO的取向一致[21]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.010.F003图3碳纤维织物的表面形态Fig.3Surface morphologies of carbon fabrics10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.010.F004图4碳纤维织物的显微结构Fig.4Microstructure of carbon fabrics2.2CFRP的阻尼损耗因子2.2.1温度扫描图5为CFRP的阻尼损耗因子(η)比较。从图5可以看出，在-50~120 ℃之间，C-CFRP和D-CFRP的阻尼损耗因子几乎相同，而GO可以在此温度范围内增强CFRP的阻尼性能[22-23]。然而，在玻璃化转变温度附近，GO对阻尼性能没有明显影响，呈现小幅下降趋势。原因是GO上的官能团与环氧基基体之间的化学反应，限制了环氧链的迁移率[24]。表1为不同CFRP在不同温度下的阻尼损耗因子。从表1可以看出，与C-CFRP相比，在1 Hz谐波激励下，GO-CFRP的η在-30 ℃时增加53%，在20 ℃时增加25%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.010.F005图5CFRP的阻尼损耗因子比较Fig.5Comparison of damping loss coefficients of CFRP10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.010.T001表1不同CFRP在不同温度下阻尼损耗因子Tab.1Damping loss factors of different CFRP at different temperatures损耗因子温度/℃-302070120220ηGO-CFRP增量（与ηC-CFRP比较）/%+53+25+47-24-15ηC-CFRP0.03040.02920.02950.08050.0288ηD-CFRP0.02930.02740.02850.04080.0138ηGO-CFRP0.04640.03660.04340.06080.0244C-CFRP的能量耗散主要来自碳纤维、环氧树脂基体和纤维/基体界面[25-26]，而纤维和基体对GO-CFRP的能量耗散贡献相同。然而，多层GO改变了GO-CFRP样品中的纤维/基体界面。石墨烯片之间的范德华相互作用比碳纤维与环氧树脂之间的结合弱得多，因此多层GO的界面滑动可以由于纤维/基体界面的变形而被激活，图6为GO内部多层界面滑动示意图。GO-CFRP内部的大纤维/基体界面面积和多层滑移变形可以明显产生更多的能量耗散。此外，石墨烯层之间的滑移在小变形下是可恢复的[27]，使材料能够连续耗散能量而不会发生结构退化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.010.F006图6GO内部多层界面滑动示意图Fig.6Schematic diagram of multi-layer interface sliding inside GO2.2.2频率扫描图7为CFRP的η随频率的变化。从图7可以看出，C-CFRP和D-CFRP的η在1~140 Hz之间几乎相同，而GO-CFRP在该频率范围内增强了30%CFRP的η。GO-CFRP的频率为63 Hz，而C-CFRP的频率为167 Hz。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.010.F007图7CFRP频率扫描的阻尼损耗因子比较Fig.7Comparison of damping loss factors for frequency scanning of CFRP2.2.3应变扫描图8为CFRP应变扫描的阻尼损耗因子比较。从图8可以看出，当应变在0.07%~0.23%之间时，GO-CFRP的损失因子最大。当应变增加到0.23%时，GO-CFRP的η值与C-CFRP相比增加了113%。根据多层GO内部界面滑动机理，施加在GO-CFRP上较高应变导致GO/GO界面之间的界面滑动距离增大，从而导致耗散能量增加。因此，GO改善阻尼性能的效果与应变呈正相关。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.010.F008图8CFRP应变扫描的阻尼损耗因子比较Fig.8Comparison of damping loss factors for strain scanning of CFRP3碳纤维增强聚合物有限元分析3.1基于应变能法的参数分析利用ANSYS建立了基于应变能法的有限元模型，计算了所测碳纤维增强聚合物的阻尼特性。GO/GO界面建模参数的获取分为三步。相应构建三个模型，图9为有限元模型的截面。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.010.F009图9有限元模型的截面Fig.9The cross sections of finite element models（1）参考D-CFRP的实验η得到织物层的η，而基体的弹性模量和泊松比由供应商提供。织物层的弹性常数已经使用Digimat代码进行了提取[28]，Digimat代码是用于分析复杂多相复合材料力学行为的多尺度设计软件。（2）参考GO-CFRP的实验η得到GO/基体层的η，同时从第一步得到织物层的性能，并使用Digimat对GO/基体层的弹性常数进行了评估。（3）参考第二步得到的GO/基体层的性质，得到GO/GO界面的阻尼参数，而基体特性与第一步相同。使用已知属性来确定第三步要求解的属性，在弹性应变较小(2%)的条件下，通过ANSYS中的谐波响应分析模块进行仿真。在1 Hz下的动力响应工况下，采用FULL方法和Fronta方程求解器对复合材料进行了分析。采用应变能法计算模型的损耗因子，有限元模型的尺寸和施加的载荷与DMA测试条件相同。3.2织物层阻尼损失因子的测定表2为D-CFRP基体层和织物层的材料性能。使用Digimat-MF软件计算织物层的弹性常数。未知量是织物层的η，η的计算公式为：ηDesized-CFRP=ηfabric⋅Ufabric+ηmatrix⋅UmatrixUfabric+Umatrix （1）10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.010.T002表2D-CFRP中不同层的材料属性Tab.2Material properties of different layers in D-CFRP样品层性能数值织物层E11/GPa84.70E22/GPa84.70E33/GPa16.10v120.05v230.43v130.43G12/GPa4.94G23/GPa5.31G13/GPa4.94η—基体层E/GPa3.00v0.35G/GPa1.11η0.05注：“—”表示通过计算得到。从式（1）可以得到织物层的η为0.017 4。3.3GO/基体层的阻尼特性的测定表3为GO-CFRP中不同层的材料属性。织物层的η值由模拟得到，利用Digimat-MF程序计算GO/基体层的弹性常数。GO/基体层的η由式（1）计算，得到η为0.070。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.010.T003表3GO-CFRP中不同层的材料属性Tab.3Material properties of different layers in GO-CFRP样品层性能数值织物层E11/GPa84.7000E22/GPa84.7000E33/GPa16.1000v120.0500v 230.4300v130.4300G12/GPa4.9400G23/GPa5.3100G13/GPa4.9400η0.0174基体层E/GPa3.9600v0.3600G/GPa1.4600η—注：“—”表示通过计算得到。3.4GO/GO界面阻尼特性的测定由于GO片具有高模量和固有的小变形等特点[29-30]，其η定义为0。然而，多层GO的界面性质很难通过实验得到。界面的模量E在1 MPa~10 GPa之间，界面的损耗因子在0.05~0.30之间。图10为GO/GO界面的计算损耗因子。从图10可以看出，随着界面模量的增加，GO/GO界面的阻尼损失因子ηcalculation逐渐减小，而随着损耗因子的增加，GO/GO界面的阻尼损失因子ηcalculation逐渐增大。如图10中的A点和B点中的阻尼损失因子ηcalculation与实验值吻合，但A点的GO/GO界面的阻尼损耗因子η为0.10，与GO/基体层η接近，不符合界面滑动耗散大量能量的实际情况，因此认为B点是合适的，因此可以假设GO/GO界面的模量E为1 GPa时，界面损耗因子η为0.20。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.010.F010图10GO/GO界面的计算损耗因子Fig.10Calculation of loss factors for GO/GO interface4结论（1）采用EPD法和VARTM法研究了GO增强碳纤维复合材料的阻尼特性。通过SEM表征了GO在碳纤维表面的均匀存在。通过DMA数据显示，与C-CFRP相比，GO-CFRP的损耗因子得到了增加。定向多层GO作为覆盖整个碳纤维表面的核心层，为循环变形下GO界面滑动提供了有效的能量耗散机制。（2）根据DMA测试的实验数据，通过模拟获得了多层GO之间的界面特性。多层GO界面相的模量和损耗因子可用于预测多层碳纳米填料改性复合材料在不同条件下的阻尼性能。