原位电化学接枝KH-792改性碳纤维表面特性及其对复合材料界面增强机制研究

针对碳纤维(CFs)表面惰性导致复合材料界面结合弱的问题，研究人员采用原位电化学接枝技术将KH-792分子锚定于聚丙烯腈基碳纤维表面。通过XPS、拉曼光谱等技术证实，3 mA·cm?2电流密度处理使表面O/C和N/C分别提升至44.6%和21.5%，动态接触角降低至40.8°，界面剪切强度(IFSS)提高56%。该研究为高性能碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料设计提供了新策略。

　　

碳纤维(CFs)因其90%以上的碳含量和高度惰性的表面特性，在航空航天等领域具有不可替代的作用，但表面惰性导致其与树脂基体界面结合差，易引发应力集中问题。传统改性方法如等离子处理或氧化法存在效率低、过度刻蚀等局限。为此，研究人员创新性地采用原位电化学接枝技术，将γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷(KH-792)分子共价锚定于碳纤维表面，系统探究了电流密度对表面物化结构及复合材料性能的影响机制。

研究团队通过X射线光电子能谱(XPS)证实，在KH-792/NH₄HCO₃复合电解质中，3 mA·cm^?2电流密度处理使碳纤维表面O/C和N/C原子比分别达44.6%和21.5%，C-Si键含量从6.78%增至10.09%。原子力显微镜(AFM)显示表面粗糙度(Ra)从36.4 nm提升至42.8 nm，动态接触角测试表明水接触角从89.8°降至40.8°，证实表面极性显著增强。拉曼光谱分析揭示石墨化度(R=I_D/I_G)轻微下降，但单丝拉伸测试显示力学性能保持稳定。

界面性能测试显示，改性碳纤维与环氧树脂(EP)的界面剪切强度(IFSS)从52.2 MPa提升至81.4 MPa，增幅达56%。扫描电镜(SEM)观测发现，3 mA·cm^?2处理组纤维表面残留树脂最多，证明界面结合最强。机制研究表明，KH-792水解产生的硅醇基与纤维表面羟基形成C-O-Si键，其氨基还能与环氧树脂开环反应，实现双重界面强化。

该研究发表于《Carbon Trends》，创新点在于：首次将KH-792电化学接枝与NH₄HCO₃电解质刻蚀协同应用，通过精准调控电流密度实现功能基团定向引入。相比传统方法，该技术具有接枝效率高、条件温和、工艺可控等优势，为开发高性能碳纤维复合材料提供了新思路，在轻量化结构材料领域具有重要应用价值。