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Enhancing the mechanical performance of CF/epoxy composites via a sizing method based on multiscale characterization

材料科学 尺寸 复合材料 环氧树脂 碳纳米管 复合数 扫描电子显微镜 傅里叶变换红外光谱 极限抗拉强度 表征(材料科学) 抗弯强度 惰性 造型(装饰) 纳米尺度 聚合物 复合材料层合板 红外光谱学 艾氏冲击强度试验 断口学 抗剪强度(土壤) 表面改性 抗弯刚度 粘附 纤维 压缩成型 转移模塑 碳纤维 动态力学分析 航空航天 光谱学
作者
Yan Yan,Yifan Niu,Jiawei Yao
出处
期刊:Advanced composites and hybrid materials [Springer Science+Business Media]
标识
DOI:10.1007/s42114-026-01904-6
摘要

Carbon fiber (CF)/epoxy composites are widely used in aerospace and automotive applications but still suffer from insufficient interfacial adhesion due to the chemically inert and smooth CF surface. To address this limitation, this work proposes a matrix-compatible sizing strategy based on bisphenol-A epoxy resin (E-51), with optional incorporation of multiwalled carbon nanotubes (CNTs). The novelty of this study lies in linking the interfacial enhancement mechanism across multiple scales, from surface chemistry and interphase structure to mechanical performance, thus establishing design guidance for next-generation sizing systems. Two E-51-based sizing agents were prepared and applied to CFs. Their effects were evaluated using a comprehensive suite of characterization techniques, including Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscope (AFM) quantitative mapping, monofilament debonding, single-fiber fragmentation tests, and laminate-level mechanical testing. The optimized sizing formulation containing 0.3 wt% E-51 and 1 wt% CNTs introduced reactive functional groups (e.g., epoxy, C–O, O–C = O, –CH 2 , C = O, C = C, and benzene rings) and increased nanoscale roughness, leading to significantly improved interfacial adhesion. Consequently, the flexural strength and interlaminar shear strength (ILSS) of the composites increased by 48.4% and 23.2%, respectively, compared with the unsized laminates. This study demonstrates an effective and industrially relevant route for enhancing CF/epoxy interfaces, and provides new insights into the multi-scale reinforcement mechanism of CNT-modified sizing layers for high-performance composite applications.
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