50多年来，碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）因其轻量化、高力学强度等特性已经被广泛应用于航空航天、汽车、铁路运输、海洋和风能等领域。强韧平衡的CFRP已被证实有利于延长其服役寿命。除了设计高强韧的树脂基体外，碳纤维和树脂基体之间的强韧界面设计往往被忽略。由于跷跷板效应，同时提高强度和韧性一直是一项挑战。针对该问题，该团队在前期开展了大量新型强韧界面相的构筑工作，，并建立了特色的界面相结构微观表征技术，如界面粘附力微观测量技术（Chemical Engineering Journal, 2020, 388: 124255；Advanced Composites and Hybrid Materials, 2024, 7(2): 72）、纳米红外Mapping（Composites Science and Technology, 2018, 163: 26–33）、拉曼Mapping（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 55633?55647）、界面相聚组分分布分子模拟技术（Composites Part B 2023, 257, 110674），实现了界面强度和韧性的同步提升。
近期，该团队受到蜘蛛丝启发，制备了三种不同支化度的超支化聚酰胺胺（HPAA），系统研究了不同支化度与氢键密度的关系，结合2D FTIR和界面粘附力微观测量技术研究了氢键作用的类型和大小，基于EPD法引入了氧化石墨烯（GO）至纤维表面，构建了具有不同氢键密度的界面相结构。结果表明，具有高氢键密度的纤维表面提供了更多的氢键相互作用位点，促进了GO的沉积。得益于界面粘附力、表面能和界面厚度的改善，功能化CF/EP复合材料的界面强度和断裂韧性分别比未经处理的CF/EP复合材料提高了94.5%和110.0%。界面性能的增强机理归因于“纳米渔网”结构的形成，促进了应力传递和额外能量的吸收。本文提出的通过调控超支化聚合物的支化结构进而调节分子间作用力的方法为高性能纤维表面改性提供了一种先进的途径。
图1 蜘蛛丝启发的高氢键密度界面相构建过程
图2 不同支化度超支化聚酰胺胺的合成路线示意图
图3 氢键作用的种类和密度研究
图4 不同改性纤维界面粘附力测试
图5 界面强度和韧性测试及脱粘后形貌的SEM图
以上研究成果以“Spider silk-inspired heterogeneous interphase featuring hybrid interaction for simultaneously improving the interfacial strength and fracture toughness between carbon fiber and epoxy by regulating hydrogen bond density” 为题，发表于Composites Part B：Engineering上。北京化工大学博士研究生黎何丰为第一作者，北京化工大学贾晓龙教授与澳大利亚南昆士兰大学王浩教授为通讯作者。
该研究受到北京自然科学基金（No. 2242052, No. 2192044）、国家重点研发计划（No. 2019YFB1504800）、中央高校基本科研业务费（No. XK1802-2）、BUCT青年人才计划、2020-2023有机无机复合材料国家重点实验室开放课题（No. Oic-202001008, Oic-202101008, Oic-202201007, Oic-202301003）等项目资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111476
图文转载自【中国聚合物网】:http://www.polymer.cn/