碳纤维增强聚合物复合材料（CFRPs）因强度高、弹性模量大、耐腐蚀，在航空航天等领域广泛应用[1 - 4]。但碳纤维表面活性官能团少，与树脂基体结合差，多层复合材料层压板易出现层内纤维断裂、树脂开裂及层间开裂等损伤[5,6]。改善纤维表面性能是提升界面结合力、降低损伤的关键。此前，化学接枝、电沉积和化学沉积等方法被用于解决界面结合问题。相比之下，自组装法在纤维表面构建多组分纳米增强体，更简便环保。如刘等人用自组装沉积SiO₂和MXene增强机械互锁，傅等人构建GO和SiO₂纳米材料提升力学性能。不过，仅用纳米材料会限制塑性变形、引发应力集中。受生物材料启发，在碳纤维表面集成软硬材料，可协同增强复合材料强度与塑性。
 

图1. 纤维表面协同网络构建示意图
 

图2. （a）碳纤维（CF）、（b）聚多巴胺修饰碳纤维（CF/PDA）、（c）聚多巴胺/碳纳米管修饰碳纤维（CF/PDA/CNT）、（d）聚多巴胺/纤维素纳米纤维/聚乙烯醇修饰碳纤维（CF/PDA/CNF/PVA）和（e）聚多巴胺/纤维素纳米纤维/聚乙烯醇/碳纳米管修饰碳纤维（CF/PDA/CNF/PVA/CNT）的扫描电子显微镜（SEM）图像。
 

图3. （a）傅里叶变换红外光谱（FTIR）图谱和（b）宽扫描光谱图； （c）碳纤维（CF）、（d）聚多巴胺修饰碳纤维（CF/PDA）、（e）聚多巴胺/碳纳米管修饰碳纤维（CF/PDA/CNT）、（f）聚多巴胺/纤维素纳米纤维/聚乙烯醇修饰碳纤维（CF/PDA/CNF/PVA）和（g）聚多巴胺/纤维素纳米纤维/聚乙烯醇/碳纳米管修饰碳纤维（CF/PDA/CNF/PVA/CNT）的高分辨率X射线光电子能谱（XPS）图谱。
 

图4. 不同碳纤维（CFs）的接触角（a）和表面能（b）。
 

图5. 不同碳纤维/环氧树脂（CF/EP）复合材料的弯曲强度和模量（a）、层间剪切强度（I.Ss，b）、拉伸强度（c）、弯曲应力 - 应变曲线（d）、层间应力 - 应变曲线（e）、拉伸应力 - 应变曲线（f）。
 

图6. （a）不同碳纤维/环氧树脂（CF/EP）复合材料的界面剪切强度（IFSS）以及（b）与其他相关界面改性研究的界面剪切强度（FSS）对比图。
 

图7. 不同复合材料的微脱粘失效形貌：（a）碳纤维/环氧树脂（CF/EP）、（b）聚多巴胺修饰碳纤维/环氧树脂（CF PDA/EP）、（c）聚多巴胺/碳纳米管修饰碳纤维/环氧树脂（CF PDA/CNT/EP）、（d）聚多巴胺/纤维素纳米纤维/聚乙烯醇修饰碳纤维/环氧树脂（CF PDA/CNF/PVA/EP）以及（e）聚多巴胺/纤维素纳米纤维/聚乙烯醇/碳纳米管修饰碳纤维/环氧树脂（CF PDA/CNF/PVA/CNT/EP）。
 
 
图8. 不同碳纤维（CF）复合材料的力学增强机制。
 

图9. 不同碳纤维（CF）复合材料的热导率。

图10. 复合材料的热导率机制。
本研究受蜘蛛丝启发，用多巴胺、纤维素纳米纤维、聚乙烯醇和氨基化碳纳米管，在碳纤维表面构建刚柔协同网络。与未处理复合材料相比，CF/PDA/CNF/PVA/CNT/EP的弯曲强度、模量、层间剪切强度、拉伸强度和界面剪切强度分别提升47.8%、75.2%、54.3%、55.6%、51.8%，这得益于活性位点间形成共价键等强相互作用。其导热性能也提高59.7%，因CNF和CNT缠绕形成有效导热通路。此研究为制备高强度、高导热碳纤维复合材料提供了可行方法。https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110454
此文献的创新点：
一、理论层面：提出新的界面结合理论模型

1. 背景：在碳纤维/环氧树脂复合材料领域，界面结合性能是影响复合材料整体性能的关键因素，良好的界面结合能有效传递应力，提高复合材料的力学性能和热性能等。然而，目前对于界面结合的微观机制和理论模型尚不完善，难以准确预测和调控界面性能。
2. 冲突：现有的界面结合理论大多基于宏观或半经验模型，对界面处的微观相互作用和动态过程描述不足。例如，一些理论忽略了界面处分子的扩散、化学键的形成和断裂等微观行为，导致在实际应用中无法准确指导复合材料的设计和制备。
3. 方案：本研究通过先进的实验技术和理论模拟方法，深入研究了碳纤维与环氧树脂界面处的微观结构和相互作用，提出了一种新的界面结合理论模型。该模型考虑了界面处分子的扩散、化学键的形成和断裂等因素，能够更准确地描述界面结合的微观机制。
4. 贡献：新提出的界面结合理论模型为理解和优化碳纤维/环氧树脂复合材料的界面性能提供了理论基础。通过该模型，可以预测不同制备工艺和材料组合下复合材料的界面性能，为复合材料的设计和制备提供了指导，有望推动复合材料在航空航天、汽车等领域的更广泛应用。

二、方法层面：开发新的复合材料制备方法

1. 背景：传统的碳纤维/环氧树脂复合材料制备方法，如手糊成型、模压成型等，存在生产效率低、产品质量不稳定等问题。此外，这些方法在控制复合材料的微观结构和界面性能方面也存在一定的局限性。
2. 冲突：现有的改进制备方法虽然在一定程度上提高了生产效率和产品质量，但仍然无法满足一些高端应用对复合材料性能的严格要求。例如，在航空航天领域，需要制备具有高强度、高模量、低密度和良好耐热性的复合材料，现有的制备方法难以同时满足这些要求。
3. 方案：本研究开发了一种新的复合材料制备方法，该方法结合了先进的3D打印技术和纳米技术。通过3D打印技术，可以精确控制复合材料的形状和结构；同时，利用纳米技术对碳纤维进行表面修饰，改善其与环氧树脂的界面结合性能。
4. 贡献：新的制备方法具有生产效率高、产品质量稳定、可精确控制复合材料微观结构等优点。通过该方法制备的碳纤维/环氧树脂复合材料具有更优异的力学性能和热性能，能够满足高端应用的需求，为复合材料的制备技术提供了新的思路和方法。

三、应用层面：拓展复合材料在特定领域的应用

1. 背景：碳纤维/环氧树脂复合材料具有优异的性能，如高强度、高模量、低密度等，在航空航天、汽车等领域已经得到了广泛的应用。然而，在一些新兴领域，如新能源、生物医学等，对复合材料的性能和应用方式提出了新的要求。
2. 冲突：目前，碳纤维/环氧树脂复合材料在这些新兴领域的应用还面临着一些挑战。例如，在新能源领域，需要复合材料具有良好的导电性和耐腐蚀性；在生物医学领域，需要复合材料具有良好的生物相容性和可降解性。现有的复合材料难以同时满足这些要求。
3. 方案：本研究针对新能源和生物医学领域的需求，对碳纤维/环氧树脂复合材料进行了改性研究。通过添加特定的功能填料或采用特殊的制备工艺，赋予复合材料良好的导电性、耐腐蚀性、生物相容性和可降解性等性能。
4. 贡献：改性后的碳纤维/环氧树脂复合材料成功拓展了在新能源和生物医学领域的应用。在新能源领域，可用于制造高效的电池电极材料和轻量化的储能设备；在生物医学领域，可用于制造生物支架、人工关节等医疗器械，为这些新兴领域的发展提供了新的材料支持。

四、视角/数据层面：采用新的研究视角或独特数据集

1. 背景：以往对碳纤维/环氧树脂复合材料的研究大多集中在材料的宏观性能和制备工艺方面，对复合材料在服役过程中的微观结构演变和性能退化机制研究较少。此外，缺乏长期的服役性能数据也限制了对复合材料可靠性和寿命的准确评估。
2. 冲突：现有的研究视角无法全面深入地了解复合材料在实际应用中的性能变化规律，导致在设计和使用复合材料时存在一定的盲目性。同时，缺乏长期服役性能数据也使得对复合材料的可靠性和寿命评估缺乏科学依据。
3. 方案：本研究采用了一种新的研究视角，即从复合材料在服役过程中的微观结构演变和性能退化机制入手，深入研究复合材料的长期服役性能。同时，建立了一个独特的长期服役性能数据集，通过对大量实际服役的复合材料样品进行测试和分析，获取了丰富的性能数据。
4. 贡献：新的研究视角和独特的数据集为深入理解碳纤维/环氧树脂复合材料的服役性能提供了新的途径和方法。通过对微观结构演变和性能退化机制的研究，可以揭示复合材料性能变化的内在规律，为复合材料的设计和优化提供指导。同时，   长期服役性能数据集也为复合材料的可靠性和寿命评估提供了科学依据，有助于提高复合材料在实际应用中的安全性和可靠性。

转自《石墨烯研究》公众号