一种受生物启发的界面改性策略，用于抑制芳纶纤维/环氧复合材料的绝缘性能退化

时间：2026年3月7日

来源：Composites Science and Technology

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基于仿生学策略，研究通过等离子体处理、多巴胺（PDA）涂层和纳米二氧化硅（SiO₂）复合修饰，显著提升芳纶纤维/环氧（AF/EP）复合材料的界面强度与绝缘性能。实验表明，改性后界面剪切强度提高126.46%，层间剪切强度提升47.86%，直流电导率降低83.38%，介电损耗减少10.36%，击穿强度增强29.43%，同时有效抑制界面绝缘劣化。

孔晓晓|张戈|刘燕|李晓兰|陈云|王一芳|杜博学

天津大学智能电力分配设备与系统国家重点实验室，中国天津300072

摘要

对于芳纶纤维/环氧（AF/EP）复合材料在电气绝缘应用中的有效界面设计来说，尤其具有挑战性，因为由于电荷积累和固有的模量不匹配，AF/EP界面容易发生失效。本研究受到贻贝贝丝和珍珠母的启发，开发了一种仿生界面改性策略，通过分层组装方法将多巴胺涂层和纳米二氧化硅（SiO₂）整合到纤维表面。结果表明，由于界面结合强度的提高、机械互锁以及梯度模量过渡层的成功构建，复合材料的界面剪切强度和层间剪切强度分别提高了126.46%和47.86%。此外，SiO₂引入了更多的电荷陷阱和能量散射中心，从而显著抑制了在高电压下的界面绝缘降解过程，体现在通道长度、累积损伤面积和击穿时间的减少上。与未改性的AF/EP复合材料相比，改性复合材料表现出优异的介电性能，直流电导率降低了83.38%，介电损耗减少了10.36%，击穿强度提高了29.43%。这种界面功能化策略为提高承受电力和机械应力组合的高端电力设备的AF/EP复合材料性能提供了新的见解。

引言

芳纶纤维（AFs）因其高比强度、优异的绝缘性能和出色的热稳定性而受到广泛认可，使其在电气工程、航空航天、高端制造和先进防护等领域有广泛的应用[1]、[2]、[3]。在电气绝缘应用中，芳纶纤维/环氧（AF/EP）复合材料越来越多地被用作绝缘和结构材料，以替代传统玻璃纤维增强复合材料（GFRP），用于电压高达1100 kV的现代气体绝缘开关设备（GIS）[4]、[5]。然而，AFs固有的光滑表面和化学惰性往往导致界面不稳定，纤维与环氧树脂之间的粘结力较弱。较差的界面粘附力和模量不匹配会导致应力传递效率低下，并在机械载荷下加剧局部应力集中，从而产生微缺陷并导致界面脱粘[6]。此外，在电场作用下，电荷容易在这些缺陷处积累，导致能量集中和AF/EP界面处的局部放电，最终促进界面绝缘降解的起始和发展。对1100 kV GIS绝缘杆的失效分析表明，界面绝缘降解是主要特征[7]。在对各种环氧基复合材料的绝缘降解特性进行比较研究时，发现电树容易沿界面发展，且其生长速率会因施加的机械应力而加速[8]、[9]。因此，由界面不稳定性引起的绝缘降解已成为限制AF/EP复合材料充分发挥作用的关键问题，同时也威胁到在高压（HV）和机械载荷下相应电力设备的安全可靠运行。

几十年来，人们一直在努力提高AFs与聚合物基体之间的界面粘附力。传统的改性策略主要包括增加纤维表面粗糙度、进行表面处理以及向界面引入极性基团以增强界面相互作用[10]、[11]。常用的方法包括等离子体处理[12]、[13]、化学氧化[14]、高能射线辐照[15]、化学接枝[16]、[17]、[18]和涂层[19]。然而，这些方法的改进效果不尽如人意，反应过程复杂繁琐，且难以控制界面结构的均匀性[20]。相比之下，自然界为不同物质之间的界面设计提供了宝贵的思路和简单方法。例如，海洋贻贝的贝丝通过分泌含有丰富儿茶酚氨基酸3,4-二羟基苯丙氨酸的粘合蛋白，与岩石表面形成牢固的粘附力，以抵御海浪的侵蚀[21]、[22]。受此启发，儿茶酚功能化的多巴胺（PDA）逐渐成为一种简单高效的方法，用于低表面能材料的表面和/或界面改性[23]、[24]。在温和条件下，多巴胺可以通过氧化自聚合作用在纤维表面形成均匀涂层，并通过π-π堆叠和氢键等多种相互作用增强界面粘结力。此外，该涂层还含有丰富的氨基（-NH₂），可以通过亲核加成与环氧树脂形成强化学键[25]。据报道，通过PDA涂层，碳纤维（CF）增强复合材料的冲击强度和层间剪切强度（ILSS）提高了20-25%[26]。尽管PDA改性具有简单、高效和温和条件的优势，但大多数现有研究仅限于界面粘附力和纤维增强复合材料的机械强度的改进，对于抑制界面绝缘降解和模量匹配以适应电气绝缘应用方面的关注不足。

近年来，受到贻贝珍珠母“砖石”结构的启发[27]、[28]、[29]，将纳米粒子掺入界面并构建具有更多功能性的多尺度界面层在界面工程和材料改性领域引起了广泛关注[30]。Xiang等人将PDA和聚乙烯亚胺（PEI）共沉积在玄武岩纤维表面，然后接枝羧基化多壁碳纳米管。改性后，复合材料的界面剪切强度（IFSS）、ILSS、弯曲强度和拉伸强度分别提高了64.7%、34.4%、27.5%和28.9%[31]。纳米粒子可以增强机械互锁效应，实现更好的界面模量匹配，从而抑制动态机械应力下的裂纹扩展[32]。纳米填料的例子包括氧化石墨烯（GO）[33]、[34]、碳纳米管（CNT）[35]、氮化硼纳米片（BNNS）[36]、MXene[37]等。在各种纳米粒子中，纳米二氧化硅（SiO₂在界面改性中的作用似乎被低估了。与已被广泛研究的二维无机填料相比，SiO₂具有优异的绝缘性能、低导电率和电荷捕获能力，同时还能增加界面粗糙度和锚定效果。[Wu]等人[38]通过将3-氨基丙基三乙氧基硅烷功能化的二氧化硅纳米粒子共价接枝到CF表面，制备了CF-g-SiO₂分层增强材料，发现改性材料的ILSS和IFSS分别提高了53.27%和40.92%。[Xia]等人[39]用水基环氧树脂作为载体，在玻璃纤维表面固定共氟化纳米SiO₂（FSiO₂）功能层，发现改性GFRP的水接触角增加了30%，击穿强度提高了16%。最重要的是，SiO₂纳米粒子对环氧树脂的绝缘降解表现出优异的抑制效果。[Nakamura]等人[40]研究了不同SiO₂含量的环氧/SiO₂纳米复合材料中电树特性的温度影响，发现添加SiO₂可以有效抑制电树的发展，且在SiO₂含量为10%时抑制效果更为显著。这可能归因于SiO₂对电荷陷阱分布和能量耗散的调节[41]。然而，迄今为止，大多数关于SiO₂提高绝缘性能的研究都集中在纯环氧树脂基体上，对于SiO₂在AF/EP界面中的作用，尤其是在抑制界面绝缘降解方面的作用了解甚少。构建的混合涂层对AF/EP复合材料界面强度和介电性能的协同效应及其参数优化尚未明确。

本文提出了一种多尺度界面改性策略，受到贻贝贝丝和珍珠母的启发，旨在同时提高AF/EP复合材料的界面强度并抑制绝缘降解。首先，通过等离子体处理激活AF表面，有效提高其粗糙度和表面活性。随后，在碱性条件下通过自聚合作用在纤维表面形成PDA涂层，模拟贻贝贝丝分泌的蛋白质以增强界面粘结力。然后，通过组装策略将不同含量的SiO₂（通过γ-氨基丙基三乙氧基硅烷改性）沉积到纤维表面，以调节界面模量并引入电荷陷阱。最后，通过表面形貌、界面模量分析、机械强度和介电性能全面分析了有机-无机混合涂层对AF和环氧树脂界面性能的影响。同时，设计了一个用于观察AF和环氧树脂之间界面绝缘降解的原位观察平台。结合陷阱特性分析和相场模拟，阐明了有机-无机混合涂层对界面绝缘降解的抑制机制。

材料

本研究使用的AF织物是杜邦公司生产的Kevlar 1000D，单层厚度为0.26毫米。SiO₂填料购自上海Macklin生化科技有限公司，其粒径范围为10至20纳米。γ-氨基丙基三乙氧基硅烷KH550被用作SiO₂表面处理的硅烷偶联剂。使用的化学试剂包括盐酸多巴胺（纯度98%）和三羟甲基氨基甲烷（Tris-HCl，99%）