《Materials》：A Porosity-Dependent Constitutive Model for Concrete Under Wetting–Drying Cycles: Experimental and Field Validation
编辑推荐：
为提升碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)的力学性能，研究人员设计了一种新型三维网状“刚-柔”表面改性策略。通过协同引入碳纳米管(CNT)、聚多巴胺(PDA)与纤维素纳米纤维(CNF)，在碳纤维表面构筑“三维纳米蛛网”模量过渡层。改性碳纤维(CF-0.1%CN
为提升碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)的力学性能，研究人员设计了一种新型三维网状“刚-柔”表面改性策略。通过协同引入碳纳米管(CNT)、聚多巴胺(PDA)与纤维素纳米纤维(CNF)，在碳纤维表面构筑“三维纳米蛛网”模量过渡层。改性碳纤维(CF-0.1%CNT-PDA-CNF)表面呈三维网络结构，粗糙度显著提升，表面能较退浆碳纤维提高128.60%，改善了润湿性。PeakForce定量纳米力学映射(PF-QNM)与能谱分析(EDS)表明界面处形成一定厚度过渡层，模量从碳纤维至环氧树脂呈梯度递减，实现高效应力传递。CF-0.1%CNT-PDA-CNF/环氧(EP)复合材料的界面剪切强度(IFSS, 95.71 MPa)、层间剪切强度(ILSS, 73.19 MPa)、拉伸强度(701.08 MPa)与弯曲强度(934.41 MPa)较退浆碳纤维复合材料分别提升38.39%、54.93%、51.74%与64.98%。CNT、CNF与PDA通过氢键、共价键及π-π相互作用形成具模量梯度的“刚-柔”过渡层，显著增强复合材料力学性能。
研究背景方面，碳纤维因高强度重量比、低密度和高模量广泛用于航空航天等领域，但其表面化学惰性导致与树脂界面结合弱，应力传递效率低，易引发界面脱粘与分层失效。现有氧化、等离子体、上浆剂等改性手段中，构筑纤维-树脂间模量过渡层是优化应力传递的有效途径。为此，研究人员提出一种通过CNT高温脱水缩合接枝为刚性骨架、PDA作柔性桥联、CNF缠结增韧的三步顺序改性路线，在CF表面形成“三维纳米蛛网”刚-柔模量梯度界面相，以期协同提升机械互锁、化学键合与模量匹配，该文发表于《Materials》。
关键技术方法上，研究人员以退浆T300 PAN基碳纤维织物为基底，经丙酮脱浆、醇分散CNT后950℃氩气下高温接枝，再于Tris-HCl缓冲液中室温浸泡完成PDA-CNF协同组装，制得CF-xCNT-PDA-CNF(x=0,0.05%,0.1%,0.2%)系列；复合材料采用EP(E51)/T31(4:1)在100℃/1MPa/30min模压成型，纤维体积分数50±2%。表征依托扫描电镜(SEM)与EDS线扫、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱、原子力显微镜(AFM)形貌及PeakForce定量纳米力学映射(PF-QNM)模量分布、接触角与表面能计算，力学评价涵盖单丝微滴脱粘测界面剪切强度(IFSS)、短梁三点弯测层间剪切强度(ILSS)、GB/T拉伸与三点弯测拉/弯强度。
研究结果各节要点如下。3.1节碳纤维表面形貌分析：SEM与AFM显示退浆CF沟槽平滑(Ra=2.142 nm)，CNT接枝后呈丘状突起(Ra=6.559 nm)，0.1%CNT配比下PDA-CNF缠结形成连续蛛网，过低CNT量网络不连续、过高则团聚脱落，确认0.1%为最优形貌浓度。3.2节表面成分分析：XPS全谱与C1s分峰表明CNT通过酸酐C-O-C=键接枝；引入PDA-CNF后出现N1s、C-N(286.0 eV)、酰胺C=O-NH(286.5 eV)及π-π*卫星峰(290–292 eV)，证实CNT羧基、PDA氨基、CNF羟基间形成共价-非共价混杂键合。3.3节缺陷分析：拉曼D/G峰显示CNT自身缺陷主导ID/IG升高，950℃氩保护未造成CF基体严重降解，PDA-CNF包覆使CNT信号宽化但石墨壁完整。3.4节润湿性：水接触角由CF的82.5°降至CF-0.1%CNT-PDA-CNF的7.1°，表面能从35.27 mJ/m2升至80.62 mJ/m2（提升128.60%），极性与色散分量同步增加系粗糙形貌与-COOH/-OH/-NH2基团耦合结果。3.5节复合材料力学：随CNT量呈先升后降，0.1%组拉伸强度701.08 MPa(+51.74%)、模量17.26 GPa(+28.7%)、弯曲强度934.41 MPa(+64.98%)、ILSS 73.19 MPa(+54.93%)、IFSS 95.71 MPa(+38.39%)，断后伸长增至4.58%，归因于梯度界面消除模量突跃。3.6节断口形貌：未改性组大量光滑拔丝与孔隙，属界面粘附失效；0.1%CNT-PDA-CNF组断面树脂连续包覆、近无孔隙，转以基体韧性断裂为主，混合失效模式成立。3.7节界面属性：EDS碳信号线扫界面厚由0.32 μm(CF/EP)增至1.01 μm(CF-0.1%CNT-PDA-CNF)；PF-QNM模量图证实纤维→CNT→PDA→CNF→EP连续模量跌落，0.1%组过渡区最宽且梯度最平。
讨论部分指出，CNT刚性突起提供裂纹阻碍与载荷桥接，PDA凭借邻苯二酚/氨基同时以共价、氢键、π-π堆叠锚定CF与CNT/CNF，CNF柔性段桥接相邻CNT并嵌入环氧，三者缺一无法成网；该“刚-柔”梯度相把界面失效由纯粘附推至基体内聚，使IFSS与ILSS微观-宏观互证提升。结论部分翻译如下：本研究通过CNT、PDA与CNF在碳纤维表面构筑“三维纳米蛛网”结构，形成纤维至环氧间连续平滑模量梯度界面相，显著提升表面粗糙度并通过-NH2/-COOH/-OH活性基团增强化学键合；CF-0.1%CNT-PDA-CNF/EP的IFSS(95.71 MPa)、ILSS(73.19 MPa)、拉伸强度(701.08 MPa)、弯曲强度(934.41 MPa)较退浆CF/EP分别提高38.39%、54.93%、51.74%、64.98%；连续模量梯度消除模量失配、均化应力传递并延长裂纹路径，借由化学键合、机械互锁与模量过渡协同调控实现高性能碳纤维复合材料界面设计新策略。
