碳纤维/环氧树脂复合材料的双工程界面策略：化学C-N键与纳米级机械互锁的协同增效

本刊推荐：本研究开发了一种快速连续的表面电化学处理技术，通过协同化学键合（C-N）与机械互锁双重策略，在碳纤维（CF）表面构建均匀分布的聚苯胺（PANI）纳米阵列，显著提升碳纤维增强聚合物复合材料（CFRPs）的界面剪切强度（IFSS）和层间剪切强度（ILSS），为高性能CFRPs的界面工程提供了可规模化应用的新方案。

　　

Highlight

双工程界面策略实现碳纤维/环氧树脂复合材料的协同增强：化学C-N键与纳米级机械互锁的完美结合

Optimized parameters for preparing o-CF@PANI

我们首先提出了电化学氧化、接枝和原位聚合的反应机制（图1a）。当原始碳纤维束作为阳极时，在水电解过程中可在CF表面引入大量氧官能团和sp³碳缺陷。我们系统研究了氧化碳纤维（o-CF）的优化处理参数：电流密度2.0 mA cm^-2，处理时间80秒，碳酸氢铵（NH₄HCO₃）浓度5.0 wt%（支持信息图S8）。加入苯胺单体后，其氨基与CF表面的羧基通过亲核反应形成C-N共价键，实现分子级锚定。随后，在电场驱动下，苯胺在CF表面发生原位氧化聚合，最终构建出垂直排列的PANI纳米锥阵列。通过调控电流密度、苯胺浓度和处理时间，我们成功优化了PANI纳米结构的形态和分布（支持信息图S9）。值得注意的是，当电流密度为3.0 mA cm^-2，苯胺浓度为0.3 M，处理时间120秒时，获得的o-CF@PANI展现出最理想的纳米阵列结构（图1b-e），其表面氮含量高达12.01 at.%，表面能达到52.44 mN m^-1，表面粗糙度提升至136 nm（支持信息图S10-11）。这些特性显著增强了纤维与树脂基体之间的界面相互作用。

Conclusions

本研究开发了一种快速、温和且连续的电化学表面处理方法，成功实现了苯胺分子的定向接枝和PANI纳米粒子阵列在CF表面的原位聚合。在短短200秒的处理时间内，制备的o-CF@PANI具有12.01 at.%的高表面氮含量、52.44 mN m^-1的表面能和136 nm的表面粗糙度。得益于纳米级PANI层的形成，o-CF@PANI/EP复合材料显示出层间剪切强度（ILSS）和界面剪切强度（IFSS）的显著提升，分别达到124.50 MPa和77.18 MPa，相比未处理的CF/EP复合材料分别提高了83.49%和118.30%。机理研究表明，PANI纳米粒子独特的阵列结构和丰富的氨基官能团共同贡献了由纳米级机械互锁和化学C-N键实现的协同界面增强机制。该工作为构建高性能CFRPs的坚固界面相提供了一种可规模化的双工程策略。