前言
碳纖維增強復合材料（CFRP）具有較高的強度和彈性模量，以及良好的抗壓穩定性和設計性能。在航空航天、軍用、風電設備和高檔民用產品領域具有廣泛的應用前景。CFRP由碳纖維作為增強體，聚合物作為基體而組成。目前，CFRP的實際強度與理論計算之間仍然存在著很大的差距，解決這一問題的關鍵是合理優化界面。界面是復合材料的一種特殊成分，它與基體和增強體之間載荷的有效傳遞和分散有關，從而決定了復合材料的強度和韌性。其中聚合物基體對界面起著至關重要的作用。界面處聚合物鏈的構象和活性會影響界面相中聚合物的結晶度和形貌，進而影響結合能，決定著界面質量。
超聲輔助增材制造（AM）技術可以增加層間基體分子鏈之間的摩擦力，通過功熱轉換增強層間的滲透和擴散，從而提高層間基體之間的界面性能。此外，該技術還可以影響聚合物的構象和活性，促進聚合物與纖維束之間的滲透和相互作用，最終增強CFRP的性能。
潤濕脊形態學實驗
本文用1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽液滴處理的聚丙交酯（PLA）薄膜進行實驗。如圖 1 中的原子力顯微鏡 （AFM） 拓撲跡線所示，脊深度隨時間增加。圖b表示不同超聲功率下潤濕脊深度隨放置時間的變化。由于深度對超聲波功率敏感，超聲波振動縮短了深度到達最高點的時間。如圖c 所示，平臺的開始反映了弛豫時間 （τe），之后拓撲鏈糾纏阻止了進一步的蠕變，呈現出一個高度恒定的平臺區。
分子鏈弛豫動力學
為了闡明超聲振動對表面活性影響的分子機理，本文對具有不同初始速度的PLA分子鏈進行了分子動力學模擬，以表示超聲振動功率。
PLA分子鏈對分子鏈的初始速度表現出明顯的依賴性。如圖b所示，弛豫時間 τe隨著初始速度的增加而縮短，表明表面松弛過程增強。圖c表明，聚合物中不同部位的均方位移（MSD）和擴散系數存在明顯差異，但與初始速度一致。表面鏈的MSD和擴散系數最大，代表最大的擴散能力，然后向樣品內部逐漸減弱，呈現自上而下逐漸松弛的趨勢。
基于潤濕脊的壽命和分子鏈的動力學特性，可以發現超聲振動可以通過鏈段動力學和鏈構象的疊加梯度顯著提高分子鏈的表面活性。
超聲波振動通過向分子鏈傳遞能量來增強分子鏈在表面的遷移率，從而加速分子鏈的鏈段動力學和構象演化。這使得它們能夠順利突破分子間相互作用的約束，加速松弛-蠕變變形-解纏過程，釋放未扭曲的分子鏈，從而提高聚合物鏈在表面的遷移率和活性。此外，PLA分子量隨超聲功率的變化也證實了超聲振動不會通過破壞分子結構來影響活性。
力學性能測試
PLA活性的增強必將促進PLA分子與碳纖維之間的滲透和相互作用，進一步促進CFRP的界面附著力和整體性能。上圖顯示了PLA與碳纖維的界面剪切強度（IFSS）以及不同超聲振動功率下制備試樣的拉伸強度。如圖 a所示，在30W超聲振動下處理的試樣IFSS達到26.41 MPa，比純試樣高82.89%。圖b說明超聲振動增強了CFRP的拉伸強度。CFRP在30 W超聲振動下的抗拉強度達到173.09 MPa，比未處理試件提高了10.73%，與潤濕脊結果一致。
結論
本文從實驗和理論上探討了超聲振動對PLA基體活性的影響，以及由此產生的 CFRP界面和力學性能的變化。超聲振動處理后PLA薄膜的潤濕脊表明其活性顯著增強。MD模擬表明，超聲振動可以顯著提高分子鏈的表面活性，因為超聲振動在鏈段動力學和鏈構象中具有疊加梯度。
超聲振動加速了分子鏈的動力學和構象演化，加速了松弛-蠕變變形-解纏過程，使未扭曲的分子鏈游離。流動性和活性的提高不可避免地促進了聚合物與纖維束之間的滲透和相互作用，并進一步增強了CFRP的界面和整體性能。30W超聲振動處理試件的IFSS和抗拉強度分別達到26.41 MPa和173.09 MPa，比未處理試件提高了82.89%和10.73%，這與潤濕脊結果相吻合，驗證了超聲振動可以通過促進基體分子活性提高CFRP性能。
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