氧化铝微粒增强聚合物基体对碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料力学性能的影响

碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料作为一类先进材料，凭借其卓越的力学性能脱颖而出，具体表现为刚度优异、比强度高，且具备出色的抗腐蚀与抗疲劳特性。得益于轻量化优势及极端环境适应能力，这类复合材料已广泛应用于体育器材、汽车制造、土木工程及航空航天等多个领域。随着CFRP技术的持续革新，其正以高性能、可持续的解决方案重塑工程设计理念，为众多行业的创新发展开辟全新路径。

阿拉·穆沙伊赫（Alaa Al Mushaikeh）等人在研究中探讨了碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）的制备工艺、碳纤维回收技术及其在各行业的多元应用潜力。CFRTP融合了碳纤维轻量化、高强度的核心优势与热塑性材料的多功能性及可回收性，成为先进工程解决方案的优选材料之一。不过，该材料在成本控制、生产效率及回收工艺复杂性等方面仍面临挑战，这些问题的解决是其充分释放应用潜力的关键。

苏贝达尔（Subhedar）等人则聚焦纤维取向对CFRP复合材料力学性能的影响，重点研究了不同层合板结构配置对材料强度、刚度及柔韧性的作用机制。研究团队通过测试多种纤维角度与铺层方式的复合层合板，深入分析了材料在不同载荷条件下的力学响应规律，为工程应用提供了重要参考。此次研究专门考察了0°、45°、90°三种单一纤维取向及多种角度组合的交叉铺层结构，旨在明确纤维排列方式对复合材料性能的影响机理，这对优化CFRP在工程实践中的应用具有重要意义。

马扬克（Mayank）与普拉巴卡兰（Prabhakaran）在研究中探究了纤维上浆处理对碳纤维增强复合材料力学性能的影响，强调该工艺在改善纤维-基体界面结合方面的关键作用。纤维上浆是指对碳纤维表面进行处理或涂覆涂层，其核心目的是增强碳纤维与周围聚合物基体的结合力。而纤维与基体的界面结合状态直接决定了复合材料的整体力学性能，包括强度、刚度及耐久性等关键指标。通过定制化的表面处理工艺，制造商能够生产出强度与可靠性更优的材料，满足航空航天、汽车制造及结构工程等高端领域的应用需求。

梅尔泰姆（Meltem）与哈桑（Hasan）在一项详细综述研究中指出，CFRP复合材料以其优异的力学性能著称，涵盖高刚度、高强度及出色的抗疲劳性等特点。在CFRP结构中，碳纤维作为主要承力组分，而通常由树脂制成的基体则起到固定纤维、保护纤维并传递纤维间载荷的作用。这一结构特性使得CFRP在诸多应用场景中表现优于钢材、混凝土等传统材料，尤其在对高比强度与耐久性有严格要求的领域更具优势。

阿卜杜拉（Abdullah）等人的研究聚焦CFRP复合材料，重点对比了其相较于传统材料的力学与热学优势。CFRP具备高强度、轻量化、抗疲劳性强及热膨胀系数低等特点，是航空航天、汽车等对材料性能要求严苛领域的理想选择。在这些行业中，CFRP已被广泛应用于需要在极端条件下保持精度、耐久性与高性能的零部件制造。然而，尽管优势显著，CFRP的机加工难度较大，这一问题对确保最终零部件的质量与精度至关重要，尤其在量产型生产领域更为突出。

森蒂尔（Senthil）等人针对填料在纤维增强聚合物复合材料力学性能中的作用开展综述研究，其得出的重要结论为本次研究提供了核心思路。在聚合物基体中添加硬质填料时，填料的化学性质、尺寸、结构及形状等特性会显著影响复合材料的基体相行为，通过增大表面积与优化界面边界，进而增强基体与增强体之间的结合力。这些硬质填料的力学特性能够提升复合层合板在各类载荷作用下的承载能力。

总体而言，CFRP的比强度远高于钢材、铝材等传统材料，使其成为需在不牺牲强度前提下实现减重目标的理想选择。与金属材料不同，CFRP在接触水分或化学品时不会发生腐蚀，因此适用于恶劣环境条件下的应用。目前，CFRP层合板已大量应用于各类结构工程领域，其层间剪切性能与弯曲性能的重要性愈发凸显。基于这一背景，本研究尝试将氧化铝微粒与环氧树脂混合，探究其对CFRP力学性能的提升效果，这一研究有望填补相关领域的研究空白，为该领域的学者与研究人员提供有价值的参考。

研究以碳纤维毡和环氧树脂为原料制备CFRP层合板，并将氧化铝（Al2O3）微粒作为填充材料，按0%至4%的不同重量分数与环氧树脂混合，用于CFRP层合板的制备。研究的核心目标是通过对多种物理及力学性能的表征，探究氧化铝微粒对层合板力学性能的影响。具体研究结论如下：

扫描电镜观察结果显示，氧化铝微粒在层合板的基体中分布均匀，未出现明显团聚现象，且碳纤维与树脂颗粒的形态清晰可辨。密度更高、硬度更大的氧化铝使CFRP层合板的整体密度显著提升，其中未添加氧化铝（0%）的CFRP试样孔隙率最高，约为32%，而添加4%氧化铝的试样孔隙率最低。氧化铝微粒具有不规则结构与较大比表面积，这一特性有效提高了复合材料的质量密度，同时降低了孔隙率。

硬度测试结果表明，添加4%氧化铝的CFRP层合板硬度达到最大值39.72千克力/平方毫米，相较于未添加氧化铝的试样提升约60%。这一提升源于较高重量分数的陶瓷填料引发的应变硬化效应增强。随着氧化铝微粒重量分数的增加，CFRP层合板的吸水率呈逐步下降趋势；且在蒸馏水与0.9%氯化钠溶液两种环境中，层合板的吸水率存在显著差异。

在力学性能方面，添加氧化铝微粒后，CFRP层合板的拉伸强度、弯曲强度及层间剪切强度均得到显著提升，但在氧化铝重量分数为1%和3%时，拉伸强度出现下降，这可能与基体中氧化铝微粒发生局部团聚有关。氧化铝微粒的加入增大了层合板内部的晶界表面积，进而增强了碳纤维与基体的结合效果，提升了层合板的剪切承载能力。然而，硬质陶瓷氧化铝微粒的引入会显著降低材料的延展性与柔韧性，导致层合板的韧性急剧下降，最终使冲击强度大幅降低。