《Composites Communications》：Imidazolium Ionic-Liquid Grafting on Ozone-Activated CNTs Enables Interphase Chemistry in CF/Epoxy
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•通过臭氧活化和咪唑鎓离子液体功能化实现碳纳米管（CNTs）的表面态工程。•构建了化学相互作用的离子界面相，以调节CF/环氧复合材料中的界面相互作用。•界面相均质化被确定为抑制结构异质性的关键因素。•通过多尺度光谱和结构分析建立了化学-结构-性能关联。•增强的热、力学和传输性
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通过臭氧活化和咪唑鎓离子液体功能化实现碳纳米管（CNTs）的表面态工程。
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构建了化学相互作用的离子界面相，以调节CF/环氧复合材料中的界面相互作用。
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界面相均质化被确定为抑制结构异质性的关键因素。
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通过多尺度光谱和结构分析建立了化学-结构-性能关联。
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增强的热、力学和传输性能源于界面相介导的稳定应力传递。
引言
碳纤维增强环氧（CF/EP）复合材料由于其高的比强度和模量以及优异的耐腐蚀性，被广泛应用于航空航天、交通运输及其他高性能结构应用中[1], [2]。然而，在实际服役过程中，结构可靠性不仅取决于纤维强度，还取决于以下两方面性能的协同作用：（i）环氧基体，需承受载荷并阻止裂纹扩展；（ii）纤维-基体界面相，控制界面粘接和应力传递。当环氧网络的断裂韧性有限时，裂纹优先在富树脂或层间区域萌生，并在增强纤维得到有效利用之前便已扩展[3]。同样，界面粘附力不足会降低载荷传递效率并促进层间脱粘，加速界面处的裂纹扩展。因此，提高损伤容限需要同时对基体和界面相进行增韧和增强，同时保持工艺可行性和整体层压板完整性[4]。
传统方法——如纤维表面活化（例如化学氧化和等离子处理）以及偶联剂配方优化——通过改变表面化学和界面相互作用可以改善粘附和层间性能[5], [6]。然而，这些措施往往无法克服固化环氧的本征脆性；因此，在复杂载荷下，以树脂为主的区域中的裂纹萌生仍可能引发界面脱粘。因此，核心挑战在于增强基体的裂纹阻止能力，同时设计一种能提供强健的强度-韧性平衡的界面相：既要具有足够高的界面剪切传递能力以实现有效纤维利用，又要具备稳定的能量耗散途径以抵抗裂纹扩展和分层[7]。
层间增韧已通过各种微/纳米填料和结构化夹层对基体和中间层进行修改来实现。Ning等人将炭黑引入环氧中以改善CFRP的层间力学性能。在面载荷为10 g m-2时，层压板表现出最高的I型层间断裂韧性和断裂阻力，与未改性CFRP相比分别提高了50.3%和88.6%[8]。Kim等人构建了氧化石墨烯/石墨纳米纤维（GO/GNF）杂化中间层，使层间断裂韧性最大提高了102.8%[9]。Zhang等人引入了一种负载ZnO纳米线的聚苯并噁嗪酮醚酮（PPEK）多尺度纳米纤维膜作为层间增韧夹层，用于碳纤维增强PPEK（CF/PPEK）层压板，使II型层间断裂韧性从1238 J m-2提高到2618 J m-2（比基准值提高112%）[10]。这些结果表明，层间断裂阻力可以得到显著改善，然而此类方法的工程价值最终取决于界面相架构是否可扩展、稳健，并与制造流程兼容。
从应用角度来看，界面工程必须在同时考虑性能提升和可实施性的基础上进行构思。过于复杂的中间层架构或过高的界面改性程度会显著增加加工复杂性和成本，限制可扩展性，并加剧多性能权衡问题，即在某一目标指标上的提升被其他关键属性的退化所抵消。因此，界面调节应在增韧效率、架构简洁性和协同多性能表现之间追求合理平衡，并特别注意在实际加工条件下的可重复性和性能分散性。
碳纳米管（CNTs）是聚合物基复合材料中基体增强和界面增韧的有前景填料，因为它们具有高模量、高强度和大长径比，同时具有相对成熟的工业供应链[11], [12]。CNTs可在裂纹扩展过程中激活多尺度能量耗散机制——如裂纹桥接、拔出、裂纹偏转和微裂纹萌生——从而提高层间断裂韧性和整体损伤容限[13]。然而，CNTs的高表面能和强烈的范德华作用容易引发团聚，而CNT-环氧亲和力的不足则限制了载荷传递效率并放大了样品间的变异性。因此，可控的CNT分散与增强的界面相互作用是充分利用可靠且可重复的增强效果（而非伴随大性能分散的间歇性增益）的先决条件[14]。
在此背景下，离子液体（ILs）提供了一种诱人的界面化学调控手段。离子液体是由有机阳离子与无机和/或有机阴离子组成的一类低熔点盐[15]，具有高极性、可忽略的蒸气压以及可合成调制的功能基团，支持多种非共价相互作用。在环氧基纳米复合材料中，离子液体可通过吸附/包覆和极性匹配作为相容剂和界面桥接介质，从而在无机纳米填料和环氧网络之间建立稳健稳定的界面相[16]。对于CNTs而言，离子液体可以：（i）通过π-π相互作用、静电作用和氢键与石墨表面结合，以减弱CNT-CNT团聚并改善分散稳定性[17]；（ii）通过固有极性和反应性/相互作用基团（例如-NH2）增强对环氧的润湿性和界面亲和性，提供桥接基团以增强CNT-环氧耦合；（iii）形成由离子键/氢键主导的界面相，减轻界面应力集中并在裂纹扩展过程中引入额外的能量耗散通道，从而稳定载荷传递并抑制性能分散。
在本研究中，我们报道了一种分步界面化学策略，其中CNTs经臭氧活化后，再用氨基咪唑鎓溴化物离子液体处理，从而能够在CF/EP层压板中直接比较原始CNTs、氧化CNTs和离子液体改性CNTs。通过将化学验证的CNT表面态与润湿均匀性、热传导稳定性、热分解动力学和断裂机制相关联，本工作将离子液体介导的CNT界面调节确定为提高CF/EP复合材料可靠性的实用途径。
为避免归因模糊，构建了包含原始CNTs、氧化CNTs和离子液体功能化CNTs的比较体系，以回答以下三个问题：（i）分步表面改性能否在不显著破坏CNT碳骨架的情况下改变CNT-基体主导相互作用模式；（ii）界面能量相容性和润湿均匀性的改善（以及由此带来的变异性降低）能否转化为裂纹扩展过程中更稳定的载荷传递和增强的能量耗散；（iii）工程化界面相如何影响热分解动力学和热传导通道的稳定性。因此，依次建立了表面化学与结构完整性、热分解行为与动力学参数、润湿性/热传导响应及其变异性，以及断裂行为与相应断裂特征之间的关联。
章节摘要
材料
环氧树脂（密度：25°C时为1.16 g cm–3；环氧当量：185-190 g eq–1）购自韩国Kukdo公司。用作固化剂的4,4'-二氨基二苯甲烷（DDM）购自日本东京化学株式会社。各向异性织造碳纤维布购自中国宜兴碳纤维公司。该织物采用1×1平纹织法，经向和纬向每10 mm各有5根纱线。每个纱束由3000根连续碳...
CNTs的分步表面功能化
通过XPS研究了CNT、O-CNT和IL-CNT的表面元素组成（at%，表1）。臭氧氧化后，碳含量显著下降，而氧含量显著增加，导致O/C原子比从原始CNT的0.0029显著上升至O-CNT的0.0933，证实了含氧官能团有效引入到CNT表面。离子液体处理后，在总谱中出现了明显的N 1s信号...
结论
在本工作中，开发了一种结合臭氧活化和氨基咪唑鎓离子液体功能化的分步CNT表面工程策略，用于调节CNT/CF/EP复合材料的界面相架构。表面分析证实了富含氧的活性位点和含氮有机/离子层的逐步形成，而拉曼光谱和X射线衍射结果表明CNT的石墨结构在很大程度上得到了保留。
在研究的...
CRediT作者贡献声明
Seul-Yi Lee：撰写-审阅与编辑，验证，监督，项目管理。Soo-Jin Park：调查，资金获取，形式分析，概念构思。Na Chu：撰写-原始草稿，可视化，验证，软件...
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本工作由韩国国家研究基金会（NRF）资助，由韩国政府（MSIT和MOE）提供资金（编号：RS-2026-25501286）。本工作由韩国国家研究基金会（NRF）资助，由韩国政府（MSIT）提供资金（编号：2023R1A2C1004109）。本工作由研发成果商业化促进机构（COMPA）资助，由韩国政府（科学与信息通信部）提供资金（编号：RS-2025-02311658）。
Na Chu|Seul-Yi Lee|Soo-Jin Park
