双苯基支化聚芳醚腈增强碳纤维/PEEK层状复合材料的界面相容性及多功能性能研究

【编辑推荐】本研究通过分子设计合成含双苯基支化聚芳醚腈(BPEN)作为界面相容剂，采用粉末浸渍-热压法制备CF@BPEN/PEEK层状复合材料。当BPEN支化度为10%时，复合材料层间剪切强度(ILSS)提升66.1%，弯曲强度提高39.2%，同时兼具1.45 W m-1 K-1导热性和41.0 dB电磁屏蔽效能(EMI)，其增强机制源于BPEN与PEEK链的π-π堆叠及氰基氢键作用，为航空航天用高性能热塑性复合材料开发提供新策略。

　　

Highlight

碳纤维与聚醚醚酮(PEEK)基体间较差的界面粘附性仍是限制CF/PEEK复合材料力学与热学性能的关键瓶颈。本研究提出采用含双苯基支化聚芳醚腈(BPEN)作为界面相容剂，通过粉末浸渍辅助热压法制备CF@BPEN/PEEK层状复合材料。当BPEN支化度为10%时，复合材料展现出39.7 MPa层间剪切强度和506.5 MPa弯曲强度，较原始CF/PEEK分别提升66.1%和39.2%。改性材料还具备1.45 W m^-1 K^-1导热率、玻璃化转变温度提升约4°C，以及41.0 dB的X波段电磁屏蔽效能。这些多功能增强源于BPEN双苯基单元与PEEK链的π-π堆叠作用，以及氰基与纤维表面含氧位点形成的氢键所构建的坚固扩散驱动界面相。此外，强极性BPEN结构诱导的极化效应贡献了优异EMI性能。

Results and discussion

BPEN化学结构表征

图2展示了不同支化度BPEN的¹H NMR、¹³C NMR和GPC曲线。图2(a)中，PEN在7.46 ppm和6.42 ppm处的化学位移分别对应2,6-二氯苯甲腈结构单元中氰基的对位和间位氢原子，证实体系中氰基的存在。7.18–7.65 ppm范围内的峰归属于双苯基单元中的芳香氢，表明成功引入刚性双苯基结构。

Conclusions

本研究成功合成不同支化度的BPEN分子用于碳纤维表面改性，制备出CF@BPEN/PEEK层状复合材料。NMR、FT-IR和GPC分析证实了BPEN的成功合成及其分子结构特征。BPEN分子中刚性双苯基单元和高极性氰基的引入不仅显著增强π-π共轭效应，还通过氢键作用构建了强界面相互作用网络，为开发高性能热塑性复合材料提供了创新解决方案。