磷基离子液体协同增强EP/CFRP的高强度、高韧性与阻燃性设计及性能研究

针对碳纤维增强聚合物(CFRP)因基体树脂易燃性及传统阻燃剂损害力学性能的难题，长春工业大学团队通过"软化学"法设计新型含磷离子液体(PIL)，实现环氧树脂(EP)与CFRP的阻燃-增韧协同增强。2.0PIL样品弯曲强度提升68.2%、极限应变提高433%，获UL-94 V-0级阻燃且热释放率(PHRR)降低65.76%，为航空航天等领域提供"阻燃增韧一体化"材料新策略。

　　

在航空航天、氢能储罐等高端装备领域，碳纤维增强聚合物(CFRP)的轻量化优势正遭遇"易燃脆裂"的致命短板。传统环氧树脂(EP)基体遇火即燃，燃烧时碳纤维产生的"灯芯效应"更会加速火焰蔓延；而添加阻燃剂往往导致材料强度骤降——这如同给防弹衣涂防火涂料却削弱其防护力，成为制约CFRP应用的"阿喀琉斯之踵"。

长春工业大学研究团队在《Materials Today Chemistry》发表的突破性研究，通过分子设计将阻燃、增韧、增强三重功能集成于一种新型含磷离子液体(PIL)。这种采用"一锅法"中和反应合成的智能材料，巧妙利用磷-氮协同阻燃机制和离子键"牺牲键"原理，使CFRP同时获得"金刚不坏之身"与"烈火真金"特性。

研究采用三步核心技术：1) 通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和核磁共振(NMR)验证PIL的磷-咪唑盐结构；2) 采用热重分析(TGA)和锥形量热(CONE)测试热稳定性与阻燃性；3) 通过三点弯曲、层间剪切强度(ILSS)等力学测试评估性能提升效果。实验选用T300型碳纤维织物与E51环氧树脂基体。

结构表征证实设计有效性
FTIR光谱显示PIL成功保留苯基膦酸(PPA)的P=O键(1144 cm^-1
)和咪唑盐的NH⁺
(1545 cm^-1
)，¹
H NMR中7.5-8.5 ppm的芳香质子峰证实磷-芳环结构。这种设计使PIL既能参与环氧固化反应，又提供阻燃活性位点。

力学性能突破行业瓶颈
含2.0 wt% PIL的EP复合材料创下多项纪录：弯曲强度达1.68 GPa(提升68.2%)，断裂应变433%于纯EP，缺口冲击强度增幅62.98%。更惊人的是CFRP层合板，其弯曲强度与ILSS分别提升26.44%和41.08%，破解了"增韧必降强"的传统困局。

阻燃性能达航空级标准
2.0PIL样品极限氧指数(LOI)达31.8%，通过UL-94 V-0认证。锥形量热显示峰值热释放率(PHRR)降低65.76%，毒烟生成率(PSPR)下降56.53%，CO₂
排放减少61.53%，有效抑制了"灯芯效应"。

分子机制揭示协同奥秘
研究发现PIL中磷元素促进致密炭层形成，咪唑盐释放惰性气体稀释氧气；离子键网络在外力下优先断裂耗能，实现"牺牲键"增韧。这种"三位一体"机制使材料在燃烧时P-O-C交联网络迅速膨胀隔绝氧气，而常温下离子键可逆断裂吸收冲击能。

该研究开创性地将离子液体化学应用于结构材料领域，其"一锅法"合成工艺较传统阻燃剂制备流程缩短80%。获授权专利ZL202310966443.5的技术已具备产业化潜力，为国产大飞机、液氢储罐等重大工程提供了兼具"铠甲"与"防火罩"特性的新一代复合材料解决方案。正如通讯作者Lei Shang教授强调："这种分子级‘阻燃增韧一体化’设计范式，将重新定义结构功能复合材料的性能天花板。"