通过一种综合的“吸收-转移”界面技术，显著提升了短碳纤维增强环氧复合材料的机械和电磁屏蔽性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Strongly enhanced mechanical and electromagnetic shielding properties of short carbon fiber reinforced epoxy composites by a comprehensive “absorption-transfer” interface

短碳纤维增强环氧树脂复合材料通过界面工程结合切割碳纳米管（CCNTs）和多巴胺涂层（PDA）构建“吸收-传递”界面结构，显著提升力学性能（抗弯强度增加208%）和电磁屏蔽效果（47.3 dB）。CCNTs增强界面机械互锁，PDA促进塑性变形和极化效应，协同优化应力传递与电磁波吸收。

　　短碳纤维增强聚合物（SCFRPs）因其优异的机械性能、轻质特性和可加工性，在航空航天、汽车制造和高性能工程领域受到广泛关注。然而，短碳纤维（SCFs）与环氧基体（EP）之间的弱界面粘附显著限制了应力传递和承载效率，导致其机械性能未能达到理想水平。为了克服这一挑战，本研究提出了一种协同界面结构（吸收-传递界面），通过结合切割碳纳米管（CCNTs）和自聚多巴胺（PDA）来提升外部负载的吸收和传递能力，同时增强电磁波损耗。实验结果显示，将CCNTs-PDA引入硅烷修饰的SCFs-EP（SCFs-Si-EP）后，其弯曲强度提升了208%，相较于未修饰的SCFs-Si-EP。此外，主要的失效机制从纤维拔出转变为分层失效，表明界面性能得到了显著改善。SCFs-Si-EP复合材料在引入CCNTs和2 wt% PDA（SCFs-CP-EP-2）后，表现出47.3 dB的电磁干扰（EMI）屏蔽效能，这一提升归因于CCNTs-PDA界面层所提供的导电网络和散射中心，从而促进了界面极化并优化了阻抗匹配，实现了高效的电磁波衰减。因此，SCFs-CP-EP-2在机械性能和电磁屏蔽方面均表现出色。

尽管SCFRPs具备诸多优势，其广泛应用仍受到纤维与基体之间固有界面粘附性不足的限制。界面区域在应力从基体向纤维传递过程中起着决定性作用，弱结合会导致载荷传递效率低下、纤维拔出和机械载荷下的早期失效。此外，对于EMI屏蔽应用，复合材料内部导电网络的连通性至关重要。界面接触不足和结构不连续会显著影响电导率，并降低电磁波衰减效果。因此，增强碳纤维填料与环氧基体之间的界面粘附性是实现机械性能和EMI屏蔽性能同步提升的关键策略。

为提高纤维-基体界面，研究者常采用表面改性技术，如接枝或涂层。碳纳米管（CNTs）因其高长径比、优异的导电性和出色的机械性能，被广泛用于增强纤维表面，促进应力传递并形成导电通道。然而，传统方法往往受限于活性位点的浓度，导致与碳纤维表面的结合效率不高，从而限制了性能的提升。同时，导电聚合物如聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）和聚多巴胺（PDA）也被用于在碳纤维表面形成自聚合涂层，以增强界面粘附性和电导率。

本研究中，提出了一种基于CNTs接枝与PDA填充的联合界面设计（CCNTs-PDA），旨在构建一种能够有效介导机械载荷传递并为EMI屏蔽提供导电路径的吸收-传递界面。实验结果表明，CCNTs-PDA界面显著提升了复合材料的拉伸和弯曲强度，同时改善了EMI屏蔽效能，其协同效应超过了传统单一组分的改性方法。这一策略为SCFRP的界面工程提供了新的视角，展示了定制化多功能界面如何优化整体复合材料性能。研究结果不仅加深了对SCFs-基体相互作用的基础理解，也为设计高性能、多功能的SCFs-EP复合材料提供了实用指导，适用于航空航天、电子设备等对材料性能要求较高的工程应用。

在实验过程中，首先对短碳纤维进行了氧化处理，以引入功能基团，为后续改性提供条件。氧化后的纤维与银硝酸盐和过硫酸钾在室温下反应，确保纤维表面被有效氧化。随后，将氧化后的纤维与3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）混合，进行硅烷化处理，以增强纤维与环氧树脂的界面结合能力。接着，将切割后的碳纳米管（CCNTs）通过超声分散，与硅烷化后的纤维进行反应，形成CCNTs修饰的纤维（SCFs-Si-CCNTs）。最后，将不同含量的PDA沉积在CCNTs修饰的纤维表面，形成SCFs-Si-CCNTs-PDA复合材料。

在制备环氧树脂基复合材料时，SCFs-Si、SCFs-Si-PDA、SCFs-Si-CCNTs-PDA-0、SCFs-Si-CCNTs-PDA-1、SCFs-Si-CCNTs-PDA-2和SCFs-Si-CCNTs-PDA-3被用作增强材料。通过混合环氧树脂（E51）和固化剂（H256）与这些改性纤维，制备了复合材料。实验发现，当纤维含量为35 wt%时，SCFs-EP表现出最佳的机械性能，因此选择了这一比例作为后续研究的基础。混合物在机械搅拌下形成均匀的浆料，随后通过热压工艺固化环氧树脂，以确保材料性能的稳定。

为了全面评估材料的性能，采用了多种表征手段。X射线衍射（XRD）用于分析材料的相组成和结晶度，结果显示，CCNTs和PDA层的引入增强了材料的石墨化结构，从而提升了其机械性能。X射线光电子能谱（XPS）分析进一步确认了CCNTs表面氧含量的增加，这表明其表面具有丰富的含氧官能团，有利于与环氧树脂形成更强的结合。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱用于分析材料的化学键和结构特性，结果显示，CCNTs的引入促进了纤维与树脂之间的化学相互作用，从而增强了界面结合。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）用于观察材料的微观结构，显示CCNTs和PDA层的均匀分布有助于提升材料的界面性能和机械强度。

在机械性能测试方面，SCFs-Si-EP基复合材料的拉伸强度和模量被评估，结果显示，CCNTs和PDA的引入显著提升了材料的拉伸性能。其中，SCFs-CP-EP-2表现出最佳的拉伸强度（175 MPa）和模量（22 GPa），其性能提升归因于CCNTs和PDA协同作用形成的吸收-传递界面结构，这种结构不仅增强了纤维与基体的结合，还优化了应力传递效率。此外，弯曲测试显示，SCFs-CP-EP-2的弯曲强度和模量均显著高于其他材料，表明其在承受弯曲应力方面具有优势。

在分析材料的失效机制时，发现未改性的SCFs-Si-EP主要表现为纤维拔出和界面脱粘，而PDA和CCNTs改性的材料则表现出更多的分层失效。这表明，通过引入PDA和CCNTs，纤维与基体之间的结合变得更加紧密，从而提升了材料的承载能力。同时，随着PDA含量的增加，材料的机械性能呈现出先提升后下降的趋势。当PDA含量为2 wt%时，材料的机械性能达到最佳状态，而当PDA含量超过3 wt%时，由于过度覆盖导致CCNTs被包裹，其应力传递能力受到抑制，从而降低了材料的整体性能。

在电磁屏蔽性能方面，实验评估了不同SCFs-EP材料的电磁干扰（EMI）屏蔽效能（EMI SE）。结果显示，SCFs-CP-EP-2表现出最高的EMI SE值（47.3 dB），远高于未改性的SCFs-Si-EP（15.1 dB）。这一显著提升主要归因于CCNTs和PDA协同作用形成的导电网络和散射中心，这些结构促进了界面极化并优化了阻抗匹配，从而实现了高效的电磁波衰减。此外，SCFs-CP-EP-2的吸收效率（Ae）达到99%，表明其在电磁波吸收方面表现出色，这主要得益于CCNTs的引入和PDA层的协同作用。

通过对比其他研究中的材料性能，SCFs-CP-EP-2在机械性能和EMI SE方面均表现出色。例如，与其他环氧树脂基复合材料相比，其拉伸强度达到230 MPa，而EMI SE值为23.6 dB mm?1，显示出良好的综合性能。这些结果表明，通过界面工程策略，能够有效提升SCFRP材料的机械性能和电磁屏蔽效能，使其在高要求的工程应用中具有广泛前景。

本研究的成果不仅拓展了对SCFs-基体相互作用的理解，也为设计高性能、多功能的SCFs-EP复合材料提供了实用指导。SCFs-CP-EP-2材料的优异性能使其在航空航天、汽车制造和电子封装等领域展现出巨大潜力。未来，该材料有望在实际应用中发挥重要作用，为解决复合材料在机械和电磁性能方面的双重需求提供新的思路。