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为解决芳纶纤维（AF）与环氧树脂界面结合力弱影响芳纶纤维增强环氧树脂复合材料（AFEP）性能的问题，研究人员开展电场辅助在芳纶纤维表面构筑芳纶纳米纤维（ANFs）自组装结构的研究，结果提升了 AFEP 的电气和机械性能，为材料性能增强提供新思路。
在电力领域，气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）中的绝缘拉杆至关重要，它连接着操作机构和主体，在开关操作时会承受巨大的机械负荷和冲击电压。芳纶纤维增强环氧树脂复合材料（AFEP）凭借其出色的机械强度、绝缘性能、抗动态疲劳性、耐腐蚀性以及热稳定性，成为制作绝缘拉杆的理想材料。然而，芳纶纤维分子中独特的长链苯环结构，虽然赋予了材料高性能，但也使得纤维表面粗糙度和化学活性较低，难以与环氧树脂形成稳定的界面结构。这一问题导致界面容易出现缺陷，在外部电场作用下，可能引发局部放电甚至击穿，严重威胁设备和电网的稳定性。
为了解决这些问题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们利用电场辅助的方法，在芳纶纤维表面构建芳纶纳米纤维（ANFs）自组装结构，以此来增加纤维表面的粗糙度和化学活性，进而提升 AFEP 的界面结合强度和绝缘性能。研究取得了令人瞩目的成果，成功在芳纶纤维表面形成了 ANFs 自组装结构，显著改善了 AFEP 的电气和机械性能。当电场辅助处理时间为 3 分钟时，AFEP 材料的性能达到最佳状态，其闪络电压提高了 36.75%，击穿场强提升了 69.08%，拉伸强度和剪切强度分别增加了 17.79% 和 30.92% 。通过分子模拟发现，添加 ANFs 能够使模型的界面结合强度提高约 35.5%，环氧树脂的扩散系数降低 68.1%，这充分表明改性后复合材料的界面性能得到了极大改善。这项研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为芳纶纤维环氧树脂材料综合性能的无损增强提供了全新的思路，有望推动相关材料在电力设备领域的广泛应用，提高电力系统的稳定性和可靠性。
研究人员在开展研究时，运用了多种关键技术方法。首先，采用透射电子显微镜（TEM）和 zeta 电位测试来确认 ANFs 的成功制备。其次，运用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）以及 X 射线光电子能谱（XPS）对改性前后芳纶纤维的表面形貌和元素组成进行表征分析。此外，还利用分子动力学模拟揭示 ANFs 自组装结构增强 AFEP 复合材料绝缘性能的机制。
纤维表面形貌研究
研究人员通过 SEM 对改性前后芳纶纤维的表面形貌进行观察。结果显示，经过聚多巴胺（PDA）和聚乙烯亚胺（PEI）改性后，芳纶纤维表面逐渐形成一种膜状结构，填充了相邻纤维之间的间隙。随着电泳沉积时间的增加，纤维表面开始出现突起，ANFs 逐渐填充相邻纤维间的缝隙。这一现象直观地展示了改性过程中纤维表面结构的变化，为后续性能提升的研究提供了形态学依据。
电场辅助处理时间对 AFEP 性能影响研究
研究人员探究了不同电场辅助处理时间对 AFEP 性能的影响。实验结果表明，当电场辅助处理时间为 3 分钟时，AFEP 材料的性能达到最佳。此时，闪络电压提高了 36.75%，击穿场强提升了 69.08% ，拉伸强度和剪切强度分别增加了 17.79% 和 30.92%。这表明存在一个最佳的电场辅助处理时间，能够最大程度地优化 AFEP 的性能。
分子模拟研究
通过分子模拟，研究人员发现添加 ANFs 能够使模型的界面结合强度提高约 35.5%，环氧树脂的扩散系数降低 68.1%。这一结果从分子层面揭示了 ANFs 自组装结构增强 AFEP 复合材料绝缘性能的机制，即 ANFs 的添加增强了界面结合强度，同时降低了环氧树脂的扩散系数，从而改善了复合材料的界面性能。
在这项研究中，研究人员利用 PDA 在芳纶纤维表面形成二次反应涂层，然后通过电场辅助沉积工艺成功构建了 ANFs 自组装结构，并深入研究了该结构对 AFEP 材料界面粘附强度和绝缘性能的影响。TEM 和 zeta 电位测试证实了 ANFs 的成功制备，SEM、FTIR 和 XPS 分析则详细表征了芳纶纤维改性前后的表面变化。研究结果表明，电场辅助处理 3 分钟时，AFEP 材料的电气和机械性能提升最为显著。分子模拟进一步揭示了 ANFs 自组装结构增强 AFEP 绝缘性能的内在机制。
这项研究意义重大，为芳纶纤维环氧树脂材料综合性能的无损增强提供了创新方法，突破了传统表面改性方法的局限。该方法既避免了化学蚀刻对纤维结构的破坏，又克服了物理涂层改性效率低的问题，为相关材料在电力设备等领域的应用提供了更广阔的前景。未来，有望基于此研究成果进一步优化材料性能，推动电力设备的技术升级，提高电力系统的安全性和稳定性。
