Strength–Toughness Synergistic Epoxy Nanocomposites Coupling a Layered Graphene Framework and Nanomodified Interfaces

材料科学 微尺度化学 韧性 环氧树脂 断裂韧性 碳纳米管 复合材料 纳米复合材料 石墨烯 偏转(物理) 纳米颗粒 纳米尺度 纳米技术 碳纤维 断裂力学 断裂(地质) 弹性(材料科学) 纳米材料
作者
Dongfang Guo,Xingkai Huang,Zhengzhi Mu,Zhongwen Yao,Shichao Niu,Zhiwu Han,Lu Ren
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:26 (10): 3485-3494
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5c06497
摘要

Epoxy nanocomposites are essential in various industrial applications for their superior mechanical strength. However, improving toughness while maintaining strength is challenging due to nanofiller agglomeration and poor interfacial interaction. Inspired by nature’s hierarchical damage-tolerant structures, a novel multiscale hierarchical reinforcement strategy was proposed to achieve the synergistic improvement of strength and toughness in epoxy nanocomposites. The layered graphene scaffold with interlayer bridges prevents inherent restacking, promoting crack deflection at the graphene–epoxy interface through macro- and microscale features. Graphene surfaces were modified with silicon dioxide nanoparticles (SiO 2 NPs) and carbon nanotubes (CNTs) to enhance the interfacial interaction. Nanoscale SiO 2 NPs alleviate local high stress through frictional sliding, while microscale CNTs enhance the interfacial strength. At 0.625 wt % graphene, RGO-SiO 2 -CNTs/EP nanocomposites show 14.85% higher strength, 155% improved fracture toughness ( K IC ), and 51.9% enhanced steady-state fracture toughness ( K JC ). This synergistic reinforcement strategy provides a new paradigm for the design of high-performance epoxy nanocomposites.
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