构建新型“软刚性”界面层大幅提高碳纤维复合材料的强度韧性！

导读：具有更高强度和韧性的碳纤维增强聚合物（CFRP）是汽车、航空和航天等快速发展的工业部门发展中必不可少的材料。本文通过温和而简单的自组装策略设计了一种新颖的“软刚性”界面层，以实现强度和韧性的同步提高。通过静电相互作用，将带正电荷的聚乙烯亚胺（PEI）和由金属有机框架（UIO-66）和氧化石墨烯（GO）组成的带负电荷的纳米配合物组装在碳纤维（CF）上。结果表明，纤维表面改性显著提高了纤维表面的粗糙度和润湿性，与采用原始CF作为增强材料的复合材料相比，具有“软刚性”界面相的复合材料的界面剪切强度（IFSS）和层间剪切强度（ILSS）分别提高了42.12%和23.07%。此外，CFRP经处理后的脱粘和断裂表面表现出改善的界面性能。此外，复合材料的冲击韧性从60.24 kJ/m提高到60.24 kJ/m2至 89.38 kJ/m2。

在倡导低碳、节能减排的背景下，碳纤维增强聚合物（CFRP）因其高强度/重量比的优势而在许多领域（特别是在新能源汽车中）得到应用。然而，由于碳纤维（CFs）的非极性和化学惰性表面，CFRP的界面失效情况经常发生。因此，CFs的表面需要改性，以提高CFRPs的强度和韧性。为避免这个问题，科学家们已经做出了许多努力，例如在CF上应用酸氧化、化学移植、高能辐射或等离子体处理。这些策略都提高了复合材料的界面强度。然而，通常情况下CFs和树脂之间的强界面可能会加剧相邻纤维的应力集中，从而促进早期脆性破坏并降低CFRPs的韧性。

通过将纳米材料与低刚度材料相结合来构建界面，有望成为提高材料韧性和强度的策略。对于CFRPs，具有反应性官能团的柔性聚合物可用作低刚性组分。已经存在由氢氧化镍（Ni（OH））形成的界面层和聚乙烯亚胺（PEI），GO和超支化聚甘油（HPG），PEI和纳米二氧化硅（SiO2)。聚醚胺（PEA）/GO的界面层也被采用，其中构造（PEA/GO）9 逐层自组装提高了界面剪切强度（IFSS）和界面韧性（G集成电路）分别增长了67.7%和129%。这些改进归功于更好的相容性、机械联锁、强大的化学键和纳米颗粒增强。但对界面相互作用的部分解释，特别是对机械联锁的解释，及其对CFRPs界面性能的影响尚不清楚，缺乏直观的实验证据。在此基础上，构建了一种由反应性柔性聚合物和纳米材料形成的新型可控间相。

对于纳米材料MOF因其优异的耐热性、可控的尺寸和丰富的反应位点而被选中。然而MOFs对水敏感，长时间暴露于潮湿空气后表面积会急剧减少。为了提高MOF的稳定性，氧化石墨烯（GO）通常被用作MOF的载体。本文合成了MOF/GO纳米配合物作为“软刚性”界面结构的刚性组分。

基于此，上述复杂间期界面相互作用的解释并不明显，缺乏直观的实验证据。本文通过静电自组装构建了由PEI和MOF/GO组成的新型“软刚性”界面层结构。柔性PEI作为“软”组件组装在CF表面上，然后是刚性MOF / GO。为了了解这种新型“软刚性”间期的界面相互作用及其影响，研究了PEI或MOF修饰的CF，并与“软刚性”间相进行了比较。采用接触角、SEM、AFM等对界面结构进行表征，了解界面交互作用。结果表明，CF-PEI-MG/EP的界面强度和韧性均显著高于用PEI或MOF改性改性CF增强复合材料。纯PEI或MOF改性复合材料中除了具有更好的相容性、较强的化学键、增加的机械联锁和纳米颗粒增强等界面相互作用外，CF-PEI-MG/EP的界面相互作用还包括多方裂纹偏转和纳米偶联相互作用。值得注意的是，“纳米耦合”对于提高界面性能至关重要，这在其他研究中尚未发现。对于纳米偶联相互作用，MOF/GO通过MOF/GO与PEI之间的静电相互作用以及PEI与环氧树脂之间的共价键固定在PEI和环氧基质之间形成强大的机械联锁。这种具有“纳米偶联剂”的新型“软刚性”界面可用作通过结合纳米材料和局部可变形材料（低刚度）来开发具有更高强度和韧性的复合材料的设计指南。

在本文综述中，哈尔滨工业大学提出了通过静电组件构建一种新的“软刚性”界面层改善复合材料的界面强度和韧性的方法。通过静电相互作用，将带正电荷的聚乙烯亚胺（PEI）和由金属有机框架（UIO-66）和氧化石墨烯（GO）组成的带负电荷的纳米配合物组装在碳纤维（CF）上，结果表明纤维表面改性显著提高了纤维表面的粗糙度和润湿性。具有“软刚性”界面相的复合材料的界面剪切强度（IFSS）和层间剪切强度（ILSS）分别提高了42.12%和23.07%。此外，CFRP经处理后的脱粘和断裂表面表现出改善的界面性能。此外，复合材料的冲击韧性从60.24 kJ/m提高到60.24 kJ/m2至 89.38 kJ/m2。本文以题“Improvement on strength and toughness for CFRPs by construction of novel “soft-rigid” interface layer”发表在Composites上。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836822002268

图1.界面层的施工过程、“软刚”结构示意图及界面结构中的相互作用力

图2.合成和模拟UIO-66，GO和UIO-66 / GO的X射线衍射图

图3.原始和改良CF的FT-IR光谱

图 4.（a） 不同CF的宽扫描XPS光谱和

（b）C1s和（c）N1s峰值的相应高分辨率XPS光谱

图 5.（i） SEM 和 （ii） （a） CF、（b） CF-COOH、

（c） CF-PEI、（d） CF-PEI-MG 的 AFM 图像

图 6.（a） 不同CF与测试液体之间的接触角。（b） 不同CF束与水滴随时间变化的接触角

图 7.（a） 威布尔分布拟合曲线及相关参数表，包括威布尔形状参数（m）、尺度参数（δ0（b）商业尺寸CF和不同CF增强复合材料的IFSS，ILSS和弯曲强度。（c） CF-MOF的扫描电镜图像和相应复合材料的IFSS

图 8.单纤维拔出试验后不同CF/EP的脱粘表面形态：（a）CF，（b）CF-COOH，（c）CF-PEI，（d）CF-PEI-MG，（e）CF-MOF

图 9. PEI-UIO-66/GO“软刚性”中间阶段的强化机制

图 10.界面性能测试后复合材料的断裂面：（a）CF，（b）CF-COOH，（c）CF-PEI，（d）CF-PEI-MG在（i）纬向和（ii）暴露的纤维

图 11.不同CFRP的冲击强度

图 12.AFM力调制图像和复合材料中相间的剖面分析，通过（a）CF，（b）CF-COOH，（c）CF-PEI和（d）CF-PEI-MG增强