碳纖維增強聚合物復合材料（CFRPs）因強度高、彈性模量大、耐腐蝕，在航空航天等領域廣泛應用[1 - 4]。但碳纖維表面活性官能團少，與樹脂基體結合差，多層復合材料層壓板易出現層內纖維斷裂、樹脂開裂及層間開裂等損傷[5,6]。改善纖維表面性能是提升界面結合力、降低損傷的關鍵。此前，化學接枝、電沉積和化學沉積等方法被用于解決界面結合問題。相比之下，自組裝法在纖維表面構建多組分納米增強體，更簡便環保。如劉等人用自組裝沉積SiO?和MXene增強機械互鎖，傅等人構建GO和SiO?納米材料提升力學性能。不過，僅用納米材料會限制塑性變形、引發應力集中。受生物材料啟發，在碳纖維表面集成軟硬材料，可協同增強復合材料強度與塑性。
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圖1. 纖維表面協同網絡構建示意圖
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圖2. （a）碳纖維（CF）、（b）聚多巴胺修飾碳纖維（CF/PDA）、（c）聚多巴胺/碳納米管修飾碳纖維（CF/PDA/CNT）、（d）聚多巴胺/纖維素納米纖維/聚乙烯醇修飾碳纖維（CF/PDA/CNF/PVA）和（e）聚多巴胺/纖維素納米纖維/聚乙烯醇/碳納米管修飾碳纖維（CF/PDA/CNF/PVA/CNT）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
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圖3. （a）傅里葉變換紅外光譜（FTIR）圖譜和（b）寬掃描光譜圖； （c）碳纖維（CF）、（d）聚多巴胺修飾碳纖維（CF/PDA）、（e）聚多巴胺/碳納米管修飾碳纖維（CF/PDA/CNT）、（f）聚多巴胺/纖維素納米纖維/聚乙烯醇修飾碳纖維（CF/PDA/CNF/PVA）和（g）聚多巴胺/纖維素納米纖維/聚乙烯醇/碳納米管修飾碳纖維（CF/PDA/CNF/PVA/CNT）的高分辨率X射線光電子能譜（XPS）圖譜。
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圖4. 不同碳纖維（CFs）的接觸角（a）和表面能（b）。
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圖5. 不同碳纖維/環氧樹脂（CF/EP）復合材料的彎曲強度和模量（a）、層間剪切強度（I.Ss，b）、拉伸強度（c）、彎曲應力 - 應變曲線（d）、層間應力 - 應變曲線（e）、拉伸應力 - 應變曲線（f）。
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圖6. （a）不同碳纖維/環氧樹脂（CF/EP）復合材料的界面剪切強度（IFSS）以及（b）與其他相關界面改性研究的界面剪切強度（FSS）對比圖。
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圖7. 不同復合材料的微脫粘失效形貌：（a）碳纖維/環氧樹脂（CF/EP）、（b）聚多巴胺修飾碳纖維/環氧樹脂（CF PDA/EP）、（c）聚多巴胺/碳納米管修飾碳纖維/環氧樹脂（CF PDA/CNT/EP）、（d）聚多巴胺/纖維素納米纖維/聚乙烯醇修飾碳纖維/環氧樹脂（CF PDA/CNF/PVA/EP）以及（e）聚多巴胺/纖維素納米纖維/聚乙烯醇/碳納米管修飾碳纖維/環氧樹脂（CF PDA/CNF/PVA/CNT/EP）。
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圖8. 不同碳纖維（CF）復合材料的力學增強機制。
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圖9. 不同碳纖維（CF）復合材料的熱導率。
圖10. 復合材料的熱導率機制。
本研究受蜘蛛絲啟發，用多巴胺、纖維素納米纖維、聚乙烯醇和氨基化碳納米管，在碳纖維表面構建剛柔協同網絡。與未處理復合材料相比，CF/PDA/CNF/PVA/CNT/EP的彎曲強度、模量、層間剪切強度、拉伸強度和界面剪切強度分別提升47.8%、75.2%、54.3%、55.6%、51.8%，這得益于活性位點間形成共價鍵等強相互作用。其導熱性能也提高59.7%，因CNF和CNT纏繞形成有效導熱通路。此研究為制備高強度、高導熱碳纖維復合材料提供了可行方法。https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110454
此文獻的創新點：
一、理論層面：提出新的界面結合理論模型
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背景：在碳纖維/環氧樹脂復合材料領域，界面結合性能是影響復合材料整體性能的關鍵因素，良好的界面結合能有效傳遞應力，提高復合材料的力學性能和熱性能等。然而，目前對于界面結合的微觀機制和理論模型尚不完善，難以準確預測和調控界面性能。
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沖突：現有的界面結合理論大多基于宏觀或半經驗模型，對界面處的微觀相互作用和動態過程描述不足。例如，一些理論忽略了界面處分子的擴散、化學鍵的形成和斷裂等微觀行為，導致在實際應用中無法準確指導復合材料的設計和制備。
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方案：本研究通過先進的實驗技術和理論模擬方法，深入研究了碳纖維與環氧樹脂界面處的微觀結構和相互作用，提出了一種新的界面結合理論模型。該模型考慮了界面處分子的擴散、化學鍵的形成和斷裂等因素，能夠更準確地描述界面結合的微觀機制。
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貢獻：新提出的界面結合理論模型為理解和優化碳纖維/環氧樹脂復合材料的界面性能提供了理論基礎。通過該模型，可以預測不同制備工藝和材料組合下復合材料的界面性能，為復合材料的設計和制備提供了指導，有望推動復合材料在航空航天、汽車等領域的更廣泛應用。
二、方法層面：開發新的復合材料制備方法
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背景：傳統的碳纖維/環氧樹脂復合材料制備方法，如手糊成型、模壓成型等，存在生產效率低、產品質量不穩定等問題。此外，這些方法在控制復合材料的微觀結構和界面性能方面也存在一定的局限性。
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沖突：現有的改進制備方法雖然在一定程度上提高了生產效率和產品質量，但仍然無法滿足一些高端應用對復合材料性能的嚴格要求。例如，在航空航天領域，需要制備具有高強度、高模量、低密度和良好耐熱性的復合材料，現有的制備方法難以同時滿足這些要求。
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方案：本研究開發了一種新的復合材料制備方法，該方法結合了先進的3D打印技術和納米技術。通過3D打印技術，可以精確控制復合材料的形狀和結構；同時，利用納米技術對碳纖維進行表面修飾，改善其與環氧樹脂的界面結合性能。
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貢獻：新的制備方法具有生產效率高、產品質量穩定、可精確控制復合材料微觀結構等優點。通過該方法制備的碳纖維/環氧樹脂復合材料具有更優異的力學性能和熱性能，能夠滿足高端應用的需求，為復合材料的制備技術提供了新的思路和方法。
三、應用層面：拓展復合材料在特定領域的應用
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背景：碳纖維/環氧樹脂復合材料具有優異的性能，如高強度、高模量、低密度等，在航空航天、汽車等領域已經得到了廣泛的應用。然而，在一些新興領域，如新能源、生物醫學等，對復合材料的性能和應用方式提出了新的要求。
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沖突：目前，碳纖維/環氧樹脂復合材料在這些新興領域的應用還面臨著一些挑戰。例如，在新能源領域，需要復合材料具有良好的導電性和耐腐蝕性；在生物醫學領域，需要復合材料具有良好的生物相容性和可降解性。現有的復合材料難以同時滿足這些要求。
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方案：本研究針對新能源和生物醫學領域的需求，對碳纖維/環氧樹脂復合材料進行了改性研究。通過添加特定的功能填料或采用特殊的制備工藝，賦予復合材料良好的導電性、耐腐蝕性、生物相容性和可降解性等性能。
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貢獻：改性后的碳纖維/環氧樹脂復合材料成功拓展了在新能源和生物醫學領域的應用。在新能源領域，可用于制造高效的電池電極材料和輕量化的儲能設備；在生物醫學領域，可用于制造生物支架、人工關節等醫療器械，為這些新興領域的發展提供了新的材料支持。
四、視角/數據層面：采用新的研究視角或獨特數據集
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背景：以往對碳纖維/環氧樹脂復合材料的研究大多集中在材料的宏觀性能和制備工藝方面，對復合材料在服役過程中的微觀結構演變和性能退化機制研究較少。此外，缺乏長期的服役性能數據也限制了對復合材料可靠性和壽命的準確評估。
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沖突：現有的研究視角無法全面深入地了解復合材料在實際應用中的性能變化規律，導致在設計和使用復合材料時存在一定的盲目性。同時，缺乏長期服役性能數據也使得對復合材料的可靠性和壽命評估缺乏科學依據。
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方案：本研究采用了一種新的研究視角，即從復合材料在服役過程中的微觀結構演變和性能退化機制入手，深入研究復合材料的長期服役性能。同時，建立了一個獨特的長期服役性能數據集，通過對大量實際服役的復合材料樣品進行測試和分析，獲取了豐富的性能數據。
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貢獻：新的研究視角和獨特的數據集為深入理解碳纖維/環氧樹脂復合材料的服役性能提供了新的途徑和方法。通過對微觀結構演變和性能退化機制的研究，可以揭示復合材料性能變化的內在規律，為復合材料的設計和優化提供指導。同時， 長期服役性能數據集也為復合材料的可靠性和壽命評估提供了科學依據，有助于提高復合材料在實際應用中的安全性和可靠性。
轉自《石墨烯研究》公眾號
