《Industrial Crops and Products》：Engineering a chitosan-based interwoven network on carbon fibers for synergistically enhanced mechanical properties and EMI shielding performance of composites
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碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料因其优异的力学性能、化学稳定性和耐腐蚀性而被广泛应用于航空航天、交通运输和体育器材等领域。然而，碳纤维固有的低表面活性和有限的化学官能团限制了其与聚合物基体之间的界面结合，导致应力传递效率不足。本研究受生物启发的可持续界面改
碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料因其优异的力学性能、化学稳定性和耐腐蚀性而被广泛应用于航空航天、交通运输和体育器材等领域。然而，碳纤维固有的低表面活性和有限的化学官能团限制了其与聚合物基体之间的界面结合，导致应力传递效率不足。本研究受生物启发的可持续界面改性策略，通过在碳纤维表面构建基于壳聚糖（CS）、金属-酚醛网络（MPN）和碳纳米管（CNTs）的层级互穿网络结构，以协同提升复合材料的界面性能和电磁干扰（EMI）屏蔽性能。研究人员利用单宁酸（TA）与Fe3?的配位自组装在纤维表面沉积MPN层，随后通过席夫碱/迈克尔加成反应固定壳聚糖分子链，并借助π-π堆叠和物理缠结作用将CNTs嵌入网络框架中。结果表明，优化后的CCMC-3样品实现了最高的综合性能提升，其层间剪切强度（ILSS）、弯曲强度和横向纤维束拉伸强度（TFBT）分别达到78.47 MPa、1175.85 MPa和36.80 MPa，较未改性复合材料分别提高41.7%、45.3%和55.5%。同时，该互穿网络结构赋予复合材料优异的热老化耐受性和EMI屏蔽性能，其在X波段（8.2–12.4 GHz）的总屏蔽效能（SET）达到25.31 dB，较原始复合材料的18.95 dB提升33.57%，且屏蔽机制以吸收损耗为主导。该研究为设计多功能CFRP复合材料提供了一种简单、环保且高效的界面工程策略，拓展了其在苛刻服役环境中的应用潜力。
**论文解读：基于壳聚糖/金属-酚醛网络/碳纳米管互穿网络协同增强碳纤维复合材料力学与电磁屏蔽性能**
**一、研究背景与科学问题**
碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料凭借其优异的力学性能、化学稳定性、耐腐蚀性和疲劳耐久性，在航空航天、交通运输、体育器材和生物医学等领域得到广泛应用。其低密度与高强度的组合优势能够满足严苛的性能要求，同时有效降低结构重量和相关成本。然而，碳纤维（CF）固有的低表面活性和有限的化学官能团严重制约了其与聚合物基体之间的相容性，导致界面粘附不足和应力传递效率低下，进而限制了CFRP复合材料整体力学性能的充分发挥。为克服这一瓶颈，研究人员开发了多种碳纤维表面改性策略，其中碳纳米管（CNTs）因其高长径比、大比表面积、优异的力学性能和柔性一维结构而备受关注。然而，现有CNTs负载方法仍面临诸多挑战：化学接枝法涉及强酸氧化和多步反应，易损伤CF表面并产生大量酸性/有机废液；化学气相沉积（CVD）法需要高温和昂贵设备，能耗高且可能损害CF的石墨结构；此外，CNTs在溶液中易团聚，难以实现均匀分散。针对上述问题，本研究提出一种基于壳聚糖（CS）、金属-酚醛网络（MPN）和CNTs的层级互穿网络界面结构，旨在通过绿色、可持续的组装策略实现CFRP复合材料界面性能与电磁屏蔽性能的协同提升。
**二、研究技术与方法**
研究人员采用逐步自组装策略在碳纤维表面构建CS/MPN/CNTs互穿网络结构。首先，通过单宁酸（TA）与FeCl?·6H?O在Tris缓冲液中的配位自组装在脱浆CF表面沉积MPN层；随后，将MPN修饰的纤维浸入CS/CNTs混合悬浮液中，通过超声辅助组装实现CS分子链和CNTs的共固定。研究使用了东丽T700碳纤维（12K）作为增强体，CS（Mw=1092±50 kDa，脱乙酰度≈90%）和羟基化多壁CNTs购自麦克林（中国）。主要表征手段包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）和热重分析（TGA），并采用单纤维拉伸测试、三点弯曲测试、层间剪切强度（ILSS）测试和横向纤维束拉伸（TFBT）测试评估力学性能，通过矢量网络分析仪在X波段（8.2–12.4 GHz）评估电磁干扰（EMI）屏蔽性能。
**三、研究结果**
**3.1 互穿网络结构界面改性**：通过TA/Fe3?配位组装在CF表面沉积MPN层，提供丰富活性位点；CS通过席夫碱/迈克尔加成反应与氧化MPN层中的醌基形成共价C-N键；CNTs通过π-π堆叠和物理缠结嵌入MPN/CS框架中，形成连续层级涂层。该结构引入大量相互作用位点和更复杂的表面拓扑结构，促进纤维与环氧基体的紧密结合。
**3.2 改性CF表面分析**：SEM观察显示，未处理CF表面光滑洁净，MPN处理后形成均匀薄膜涂层，CCMC-3呈现最均匀连续的互穿结构，CNTs均匀嵌入涂层中无明显团聚。XPS分析证实了C-N和C=N键的形成，证明CS氨基与MPN氧化产生的醌基发生了共价偶联。Raman光谱显示CCMC-3具有最高的ID/IG值（0.97），表明涂层组分最有效整合。TGA结果证实改性纤维在200–450°C出现明显失重，且失重量随CNTs含量增加而增大。
**3.3 单纤维拉伸强度**：改性后纤维拉伸强度从原始CF的3.50 GPa提高至CCMC-5的3.73 GPa，Weibull模量从5.60提高至6.44（CFM），表明表面改性减少了缺陷敏感性并实现了更均匀的强度分布。
**3.4 CFRP复合材料界面力学性能**：CCMC-3实现了最优综合性能，ILSS、弯曲强度和TFBT分别达到78.47 MPa、1175.85 MPa和36.80 MPa，较原始复合材料分别提升41.7%、45.3%和55.5%。与文献报道的类似体系相比，该复合材料的ILSS处于较高水平。热老化实验表明，CCMC-3在48小时不同温度处理后仍保持最高ILSS保留率，展现出优异的界面耐久性。
**3.5 断口形貌与界面增强机制**：SEM断口分析显示，原始CF复合材料的断裂以界面脱粘为主；CCMC-3的断口呈现大量树脂残留和撕裂特征，表明失效模式由界面粘附失效转变为基体主导的内聚失效，证明界面强度超过基体局部强度。增强机制包括：MPN作为中间桥接层通过强配位作用锚定涂层；CS的氨基和羟基增强与环氧基体的亲和力；CNTs网络在裂纹扩展过程中发挥桥接作用，迫使裂纹反复偏转、分支和钉扎，增加裂纹路径曲折度和能量耗散。
**3.6 EMI屏蔽性能分析**：CCMC-3在12.4 GHz处的SET达到25.31 dB，较原始复合材料的18.95 dB提升33.57%，其中吸收损耗（SEA）从13.81 dB增至20.47 dB，而反射损耗（SER）基本不变，表明屏蔽增强主要源于吸收贡献。增强机制包括：连续互穿网络增加导电通路连通性；CF与环氧树脂间的异质界面产生Maxwell-Wagner-Sillars界面极化；CS和MPN的极性官能团贡献偶极极化弛豫；互穿结构引发多次散射和反射，延长电磁波传播路径。
**四、结论**
本研究通过简单可持续的组装策略成功在碳纤维表面构建了生物启发的CS/MPN/CNTs互穿网络结构。该界面架构引入丰富的相互作用位点和更复杂的表面拓扑，显著增强了纤维-基体结合和应力传递效率。CCMC-3实现了最优综合性能，ILSS、弯曲强度和TFBT分别提升41.7%、45.3%和55.5%，同时展现出优异的热老化耐受性和EMI屏蔽性能（SET=25.31 dB，吸收主导）。该研究为设计多功能CFRP复合材料提供了有效途径，拓展了其在苛刻服役环境中的应用前景。
