1成果簡(jiǎn)介

高性能碳纖維/環(huán)氧樹脂（CF/EP）復(fù)合材料在工程技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其中碳纖維表面與環(huán)氧基體間的界面結(jié)合對(duì)復(fù)合材料性能至關(guān)重要。為提升界面性能，本文，北京化工大學(xué)孫世超 助理研究員、曹維宇 教授等在《ACS Appl. Nano Mater》期刊發(fā)表名為“SiO2-Based Janus Nanosheet-Modified Carbon Fibers for Carbon Fiber/Epoxy (CF/EP) Composites”的論文，研究提出雙表面異功能結(jié)構(gòu)方案。通過溶膠-凝膠自組裝法合成了具有內(nèi)層氨基和外層環(huán)氧基團(tuán)的二氧化硅基雙面納米片。隨后通過電化學(xué)接枝技術(shù)將這種二維剛性材料引入碳纖維表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二氧化硅基雙面納米片通過化學(xué)鍵合均勻接枝于碳纖維表面。該雙面納米片通過增強(qiáng)碳纖維與樹脂間的機(jī)械咬合，使界面剪切強(qiáng)度提升38.3%。本研究提出利用二維雙面納米片構(gòu)建雙化學(xué)鍵界面層的策略，有效改善了碳纖維復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能。

2圖文導(dǎo)讀

圖1. Schematic of the synthesis of SiO2-based Janus hollow spheres and electrochemical grafting of Janus nanoparticles onto the CF surface.

圖2. SEM images of (a,b) SiO2-based Janus hollow spheres with different diameters, (c,d) Janus nanosheets with different thicknesses; photo of (e) SiO2-based Janus powder; (f) FT-IR spectra of Janus material and SiO2; and (g–i) fluorescence images of FITC-stained Janus material under laser illumination.

圖3. SEM images of SiO2-based Janus nanosheets electrochemically grafted onto CFs under different current intensities: (a) CF; (b) CF-1; (c) CF-2; (d) CF-4; (e) CF-6; (f) CF-8; and (g) CF-10.

圖4. (a) FT-IR spectra of SiO2-based Janus nanosheet-grafted CFs, SiO2-based Janus nanosheets, and ungrafted CFs. (b) Thermogravimetric analysis (TGA) curves of CF and CF-2.

圖5. Full-scan XPS spectra of ungrafted (a) and grafted CFs; (b–h) C 1s XPS spectra of SiO2-based Janus nanosheet-grafted and ungrafted CFs.

圖6. (a) IFSS of ungrafted and grafted CFs; (b) SEM photo of ungrafted CFs after debonding; (c) SEM photo of grafted CFs after debonding; AFM images of (d) ungrafted CFs and (e) grafted CFs; (f) schematic of the mechanism by which Janus nanosheets enhance the CF/EP interfacial shear strength (IFSS).

3小結(jié)

本研究通過電化學(xué)接枝技術(shù)，將具有雙面異質(zhì)功能結(jié)構(gòu)的二氧化硅基雙面納米片接枝到碳纖維表面。這些納米片不僅增強(qiáng)了纖維表面的粗糙度，還改善了碳纖維表面與電泳涂層之間的化學(xué)相容性，從而顯著提升了界面性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。掃描電子顯微鏡（SEM）、傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）及X射線光電子能譜（XPS）分析證實(shí)了二氧化硅基雙面納米片與碳纖維表面的化學(xué)鍵合。該納米片實(shí)現(xiàn)了雙重化學(xué)作用：其內(nèi)表面與纖維表面官能團(tuán)形成酰胺鍵，外表面則參與環(huán)氧樹脂固化。此外，剛性二維納米片在應(yīng)力作用下抑制了界面層微裂紋擴(kuò)展，顯著提升界面強(qiáng)度與耐久性。由此使界面剪切強(qiáng)度（IFSS）提升38.3%。該方法突破了現(xiàn)有技術(shù)局限——當(dāng)前石墨烯氧化物等二維剛性材料主要通過物理吸附附著于碳纖維表面。同時(shí)顯著增強(qiáng)了碳纖維復(fù)合材料的界面穩(wěn)定性。從研究視角看，本研究為碳纖維表面改性及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面增強(qiáng)提供了新方向。

文獻(xiàn)：
https://doi.org/10.1021/acsanm.5c04545

來源：材料分析與應(yīng)用