碳纳米管改性环氧树脂涂层对PBO纤维复合材料界面效应的准静态与动态力学性能研究

针对PBO纤维表面光滑导致的界面粘附力不足问题，研究人员通过氧等离子体处理结合碳纳米管改性环氧树脂(EP/CNTs)涂层技术，显著提升了PBO单纤维复合材料的界面剪切强度(IFSS)至65.34 MPa，动态拉伸强度达8.8 GPa（应变率1100 s?1），为高性能纤维复合材料开发提供了新策略。

　　

PBO（对苯撑苯并二噁唑）纤维因其卓越的高温耐受性、高强度和高模量，在航空航天、防护装备等领域备受青睐。然而，这种纤维的"先天缺陷"——表面过于光滑且化学惰性，导致其与树脂基体的结合力薄弱，严重制约了复合材料性能的发挥。就像试图用光滑的玻璃棒搭建稳固的脚手架，缺乏有效的应力传递途径。传统改性方法如化学蚀刻、射线处理等虽有效，但存在步骤繁琐、成本高昂的瓶颈。如何通过简洁高效的方法实现PBO纤维的"表面活化"，成为突破复合材料性能天花板的关键。

江苏高校自然科学研究重大项目支持的研究团队在《Progress in Organic Coatings》发表成果，创新性地采用"氧等离子体预处理+碳纳米管改性环氧树脂(EP/CNTs)涂层"两步法策略。通过XPS、微滴脱粘试验和霍普金森杆动态测试等技术，系统评估了不同浓度EP/CNTs涂层对PBO纤维表面特性及复合材料力学行为的影响。

表面化学组成与形貌
XPS分析显示，经1 wt% EP/CNTs涂层处理后，PBO纤维表面O/C比提升，环氧/双酚结构成功引入。随着涂层浓度增至6.4 wt%，氧含量较未处理样品提高47.2%，表面粗糙度显著增加，为机械互锁效应创造了条件。

准静态力学性能
微滴脱粘试验表明，EP/CNTs涂层浓度与界面剪切强度(IFSS)呈正相关。当浓度达6.4 wt%时，IFSS达到65.34 MPa，较未处理样品提升约2.3倍。这种增强归因于涂层引入的化学键合与物理锚定双重机制。

动态力学响应
霍普金森杆测试揭示了应变率敏感性：在1100 s^?1高应变率下，改性纤维的拉伸强度飙升至8.8 GPa。涂层形成的能量耗散网络有效抑制了动态载荷下的界面脱粘现象。

该研究不仅证实了EP/CNTs涂层在提升PBO纤维界面性能方面的卓越效果，更开创性地建立了涂层浓度-表面特性-多尺度力学性能的构效关系。相比传统方法，这种"等离子体活化+纳米增强涂层"的组合策略具有工艺简便、成本可控的优势，为工业化生产高性能纤维复合材料提供了新范式。特别值得注意的是，研究首次系统报道了PBO纤维在动态冲击载荷下的性能演变规律，对防弹材料、航天器防护结构等极端环境应用具有重要指导价值。Zhang Hua等作者强调，未来可通过优化CNTs分散性与界面官能化程度，进一步释放这种分级增强结构的潜力。