碳纤维增强环氧树脂基复合材料因其高比强度、高比模量、耐腐蚀性以及实现结构和功能一体化等优点而成为了重要的战略材料，被广泛应用于运动器材、轨道交通、航空航天等民用和军工领域。界面相是碳纤维增强体与树脂基体之间的过渡区域，良好的界面结合可以保证复合材料优异性能的有效发挥，然而碳纤维的原始表面极性较低，难以形成牢固的界面粘附，影响了复合材料的宏观强度。针对上述问题，北京化工大学材料学院贾晓龙教授、杨小平教授团队不仅长期聚焦于复合材料的界面结构，提出了多种界面改性手段（Advanced Composites and Hybrid Materials, 2024, 7(2): 72; Composites Part B: Engineering, 2024, 280: 111476; Applied Surface Science, 2022, 578(15): 151967），有效改善了复合材料的界面结合和整体强度，还致力于开发新型表征方法（Composites Part B: Engineering, 2023, 264: 110936; ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(46): 55633–55647; Chemical Engineering Journal, 2020, 388: 124255），推动了复合材料的界面评价体系的建设。
截至目前，基于有机乳液的上浆法仍是工业上唯一可行的碳纤维表面处理技术。然而，上浆剂在碳纤维加工和复合材料制造过程中的演变过程尚不清晰，限制了工业级复合材料制件应用性能的进一步增强。基于此，该团队将碳纤维表面形成的上浆层解耦为化学锚定和物理吸附组分，并阐明了复合材料制造过程中上浆剂在不同尺度上发生的依次浸润、扩散和交联演变，进一步通过调控上浆剂中化学锚定和物理吸附的比例使复合材料的界面剪切强度和横向纤维束拉伸强度分别提高了26.2%和52.9%，实现了界面模量梯度和浸润效果的协同优化。本研究重新审视了上浆剂在改善复合材料界面结合方面的跨尺度作用机制，为复合材料的性能优化提供了新的范式。
图1 上浆剂在碳纤维表面结合机制及其在界面形成过程中的演变过程
图2 上浆剂的化学锚定对碳纤维表面特性及其与环氧树脂间界面性能的影响
图3 界面强度随上浆剂化学锚定含量的变化
图4 上浆剂的物理吸附通过扩散机制对界面梯度的影响
图5 复合材料界面相梯度对碳纤维/环氧树脂界面强度的影响
图6 通过控制上浆剂化学锚定-物理吸附比例优化碳纤维/环氧树脂的浸润效果
以上研究成果以“Revisiting the sequential evolution of sizing agents in CFRP manufacturing to guide cross-scale synergistic optimization of interphase gradient and infiltration”为题，发表于Composites Part B: Engineering上。北京化工大学硕士研究生李宇辰为第一作者，北京化工大学贾晓龙教授与合肥工业大学讲师还献华为通讯作者。该研究受到北京市自然科学基金（No. 2242052, No. 2192044）、国家重点研发计划（No. 2019YFB1504800）、中央高校基本科研业务费（No. XK1802-2）、BUCT青年人才计划、2020-2024有机无机复合材料国家重点实验室开放课题（No. Oic-202001008, Oic-202101008, Oic-202201007, Oic-202301003, Oic-2024020002）等项目资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111825
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