通过自组装技术在碳纤维上设计多功能集成界面，以制备高强度、高韧性且耐火的碳纤维增强复合材料

《Composites Communications》：Designing Multifunctional Integrated Interfaces on Carbon Fibers via Self-Assembly toward High-Strength, Tough, and Fire-Resistant CFRPs

　　

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  通过PPI和MXene的静电自组装，在碳纤维上形成了多功能界面。
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  界面剪切强度提升了43.9%，且阻燃性能达到UL-94 V-0标准。
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  HRR降低了53.4%，COp降低了76.9%。
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  克服了碳纤维增强聚合物复合材料在阻燃性与力学性能之间的固有矛盾。
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  这种温和的改性方法不仅保持了纤维的拉伸强度，还提升了其表面能和润湿性。

引言

由于具有出色的比强度和比模量，碳纤维增强聚合物复合材料在航空航天及高端装备领域得到了广泛应用[1]、[2]、[3]。然而，其进一步发展却受到两个关键因素的制约。首先，碳纤维表面本身较为惰性，与环氧树脂的界面粘附力较弱，这限制了其力学性能的充分发挥。其次，环氧树脂本身具有可燃性，存在较大的消防安全风险。

目前，提升CFRP性能的主要策略分为两类：改进环氧树脂本身以及优化CFRP的界面结构。改进环氧树脂的优势在于可通过简单工艺同时提升材料的力学性能和热性能。但高添加量往往会导致粘度急剧上升，且分散均匀性也会出现问题[4]、[5]。而界面工程则能在保持环氧树脂原有性能和加工特性的同时，精准提升界面结合力，为设计提供更大灵活性。因此，作为载荷传递和性能调控的关键所在，界面是释放现有CFRP潜力、克服其固有局限性的关键。传统的纤维表面改性方法包括表面氧化^[6]、高能辐射处理^[7]、上浆涂层处理[8]、[9]以及表面化学接枝[10]、[11]。近年来，还有研究采用构建刚柔结构[12]、[13]以及自组装技术[14]、[15]等方法。这些方法能够有效在纤维表面引入活性功能基团，提升其表面能。不过，大多数研究主要关注CFRP的界面结合力和力学性能，往往忽视了其他重要的性能方面。

近年来，越来越多的研究致力于对碳纤维表面进行功能化处理，以形成既坚韧又具备多种功能的复合界面[16]、[17]、[18]。在各类方法中，自组装技术表现出了巨大优势，它能够以精确且温和的方式在碳纤维表面构建出结构稳定、形态清晰的多功能中间层[19]、[20]。赵等人^[21]通过逐步组装策略，在碳纤维表面构建了由二氧化锰和UiO-66-NH₂组成的分层结构。由此得到的CFRP具有优异的阻燃性能，其峰值热释放率相比未改性的复合材料降低了54.99%，总热释放量则下降了78.65%。史等人^[22]则通过简单的层层自组装工艺，在碳纤维表面制备出了由聚乙烯亚胺和聚磷酸铵构成的高效阻燃结构。该结构使得CFRP达到了UL-94 V-0阻燃标准，同时峰值热释放率和总热释放量分别降低了33.5%和22.5%。不过，通过碳纤维表面的结构设计来实现阻燃效果，主要依赖于在界面中引入磷、硅、金属氧化物等阻燃成分。在这些通常呈惰性的阻燃单元被物理掺入或共价接枝到界面区域后，它们会与碳纤维表面的活性位点发生竞争，进而破坏纤维与树脂基体之间的化学交联，从而在分子层面削弱界面结合力，导致界面阻燃性与界面结合强度之间存在固有的负相关关系[22]、[23]、[24]。与此同时，大多数研究者往往只关注CFRP的力学性能和功能特性，却忽视了所采用的方法对碳纤维基底本身的影响。

因此，本研究通过简单的静电自组装方法，在碳纤维表面构建了一种兼具高强度和阻燃性的复合界面结构——该结构是由带正电的多面体低聚硅氧烷基纳米组分水溶液（该组分在我们之前的研究中已被合成^[25]）与带负电的MXene纳米片水分散液共同形成的。此前我们的研究已证明，PPI具有优异的阻燃性和结构性能^[25]。而具有超高强度和模量的二维MXene纳米片，则能在燃烧过程中形成连续、致密且坚固的屏障，有效阻止热量和氧气进入聚合物基体，同时抑制易燃的热解产物和烟尘进入火焰区域。实验结果表明，与纯碳纤维/环氧树脂复合材料相比，构建PPI-MXene混合界面层显著提升了CFRP的界面结合力（界面剪切强度提升了43.9%），同时还提高了其韧性和强度（层间剪切强度提升了30.9%，无缺口冲击强度提升了50.6%）。此外，CFRP的阻燃性能也得到了显著改善，其峰值热释放率降低了53.4%，总热释放量降低了33.2%。同时，本研究还系统分析了提升CFRP韧性和阻燃性的内在机制。综上，本研究提出了一种温和且不会对纤维强度造成损害的改性策略，旨在打破纤维韧性与其阻燃性之间的固有矛盾，为多功能纤维材料的实际应用开辟新的路径。

章节要点

材料

T800碳纤维（等级为12K，直径为6.0微米）由日本东丽公司提供。双酚A环氧树脂由中国济南的济南创世化工有限公司供应。固化剂3,3-二乙基-4,4-二氨基二苯甲烷（H256）则购自中国江苏的江阴市汇丰合成材料有限公司。PPI则是利用实验室自行合成的多面体低聚硅氧烷、磷酸以及聚乙烯亚胺共同制备的。MAX（Ti₃AlC₂）则由济南方面提供

MXene及其与PPI复合材料的形貌特征

图S2a展示了MXene在剥离前的形貌，可见其为典型的多层堆叠结构。而经过剥离处理后，MXene呈现出单层片状结构，如图S2b所示。当将MXene和PPI的水溶液混合后，由于两者表面电荷相反，会出现明显的吸附现象，如图S2c所示。透射电子显微镜观察进一步显示，这种静电吸附作用导致了MXene重新形成堆叠结构

结论

本研究通过带正电的PPI与带负电的MXene纳米片的静电自组装，在碳纤维表面成功构建了一种兼具高强度和阻燃性的复合界面结构。这种温和的改性方法不仅保留了纤维的原有拉伸强度，还显著提升了其表面润湿性和表面能。PPI-MXene混合界面大大增强了纤维与环氧树脂之间的界面粘附力。经过处理的5-MPCF/EP复合材料实现了

作者贡献说明

刘海龙：论文撰写——审稿与编辑、论文撰写——初稿撰写、实验研究、数据整理。 李明展：论文撰写——初稿撰写、定量分析。 吴一奇：论文撰写——审稿与编辑、方法设计。 李远：资源准备、方法设计、概念构思。 尹莉：定量分析、数据整理。 蒲银川：项目监督、资源协调。 李刚：项目管理工作。 黄玉东：项目监督

未引用参考文献

[31]、[32]、[33]、[34]、[36]、[37]、[38]。

利益冲突声明

√ 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

Hailong Liu|Mingzhan Li|Yiqi Wu|Yuan Li|Li Yin|Yinchuan PU|Gang Li|Yudong Huang