通过在界面层涂覆不同分子链长度的聚醚胺，提高了碳纤维/环氧复合材料的界面性能

时间：2026年3月25日

来源：Composites Communications

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通过聚醚胺（PEA）涂层优化碳纤维/环氧树脂界面性能的研究表明，采用不同分子链长（D230、D400、D2000）的PEA在温和水溶液中涂覆碳纤维表面，可显著提升表面粗糙度、润湿性和极性，并参与环氧树脂固化反应。实验证明，PEA-D400涂层使界面剪切强度（IFSS）和层间剪切强度（ILSS）分别提升91.2%和46.6%，同时弯曲强度提高37.1%，且未损伤碳纤维本体强度。该绿色改性方法为高性能复合材料的界面优化提供了新策略。

Junsong Fu|Yuhui Ao

材料科学与工程学院，浙江科技学院，杭州，310018，中国

摘要

碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料在航空航天和体育器材中得到广泛应用。然而，碳纤维本身具有石墨化特性且表面光滑，这导致其与聚合物基体的界面结合力较弱，从而显著限制了其在高级应用中的性能。本文提出了一种绿色且简单的方法，通过在碳纤维表面涂覆不同分子链长度的聚醚胺（PEA，D230、D400和D2000）来提高CF/环氧复合材料的界面粘附力。PEA涂层中的胺基不仅改善了碳纤维的表面粗糙度、润湿性和极性，还参与了环氧树脂的固化反应，从而显著提升了CF/环氧复合材料的界面性能。与未经处理的CF/环氧复合材料相比，CF-D400/环氧复合材料的界面剪切强度（IFSS）和层间剪切强度（ILSS）分别提高了91.2%和46.6%。此外，其弯曲强度提高了37.1%，并且随着PEA链长度的增加，复合材料的韧性也得到了改善。重要的是，这种改性过程并未降低单根碳纤维的拉伸强度（TS）。这项工作为开发具有定制界面性能的下一代高性能CFRP复合材料提供了一种有效且可行的策略。

引言

碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料具有高比模量、优异的强度、轻质、良好的耐腐蚀性和热稳定性，已广泛应用于航空航天、国防工业、风力发电、汽车、建筑和体育领域[1]、[2]、[3]。许多空客飞机在机身、机翼和翼梁等关键结构中使用了超过30%的CFRP，从而对这些具有优异机械性能的复合材料的需求不断增长。CFRP复合材料的机械性能在很大程度上取决于纤维与基体之间的界面[4]、[5]、[6]。一个设计良好的界面能够确保基体向纤维的有效载荷传递，减少内部应力集中，并提高环境稳定性和整体机械性能[7]、[8]。然而，由于石墨化碳纤维表面光滑且化学性质惰性，CFRP复合材料的界面通常较为薄弱[9]、[10]。在过去的几十年中，人们开发了许多表面改性策略来提升碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料的界面性能，包括表面处理[11]、[12]、[13]、[14]、表面涂层[15]、化学接枝[16]、[17]、[18]、高能辐照[19]、电沉积（EPD）[20]、[21]、[22]、化学气相沉积（CVD）[23]以及逐层（LbL）自组装[24]、[25]、[26]。其中，表面涂层方法因其与连续生产的兼容性、操作简便性、成本效益以及对纤维的无损伤性而备受青睐[27]。在CFRP复合材料界面涂覆聚合物或纳米材料（如聚乙烯亚胺-PEI[28]、多巴胺-PDA[29]、聚（酰胺胺）-PAMAM[30]、氧化石墨烯-GO[31]和多面体寡聚硅氧烷-POSS[32]）不仅能够通过增加纤维表面粗糙度来提供强大的机械互锁作用，还能引入化学活性官能团，作为纤维与树脂基体之间的“桥梁”，实现强烈的化学相互作用[33]、[34]、[35]。例如，Xu等人[36]报道通过温和条件下的原位聚合方法引入胺端聚膦唑涂层，使碳纤维/环氧复合材料的界面剪切强度提高了70.5%。同样，Gao等人[37]利用PDA作为高效平台将PAMAM涂覆在碳纤维表面，使复合材料的界面剪切强度和冲击强度分别达到了124.05 MPa和91.17 KJ/m²。因此，表面涂层成为现代工业生产高性能CFRP复合材料的一种极具前景的策略。另一方面，聚醚胺（PEA）具有长而柔韧的聚醚主链，两端带有高活性的伯胺基团，能够与环氧基团和酰氯发生反应[38]。这种结构使PEA成为环氧树脂的常用固化剂，同时有助于纤维与树脂基体之间的应力传递。Wang等人[39]在水溶液中通过共价键合成功将PEA接枝到碳纤维表面，展示了一种环保的改性方法。Wu等人[40]通过简单的浸涂方法在碳纤维上沉积交替的刚性PDA和柔性PEA多层结构，使界面剪切强度和韧性分别提高了39.2%和99.8%，这归因于多层结构的协同增强和增韧作用。实际上，PEA的聚醚主链具有不同的长度（D230、D400、D2000）。然而，这些不同分子链长度带来的柔韧性差异如何影响碳纤维的表面极性和增强效果尚不明确。因此，迫切需要系统研究分子链长度对碳纤维/环氧复合材料界面性能和表面粗糙度的协同增强作用的影响。在这项工作中，我们采用了一种简便且环保的方法，在温和的水溶液中将不同分子链长度的PEA涂覆在碳纤维上。PEA的末端胺基容易与碳纤维表面和环氧基体形成共价键，确保了有效的界面增强。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、热重分析（TGA）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等综合表征手段，确认了PEA涂层的成功沉积。通过动态接触角（DCA）测量评估了改性纤维的表面能和润湿性。此外，还系统评估了所得CF/环氧复合材料的动态和静态机械性能，包括拉伸强度（TS）、界面剪切强度（IFSS）、层间剪切强度（ILSS）、动态力学分析（DMA）和弯曲测试。进一步阐明了界面增强机制，揭示了不同界面结构对复合材料机械性能的影响。这项工作为提升先进复合材料的界面性能提供了一种绿色且有效的策略，显示出在实际工业应用中的巨大潜力。

材料

基于聚丙烯腈的CF（T300，3K，拉伸强度3.5 GPa，平均直径7 μm，密度1.76 g cm^-3）由Toray（日本）工业公司提供。不同分子长度的聚醚胺（D230、D400和D2000）以及缩合剂N-[(二甲氨基)-1H-1,2,3-三唑[4], [5], [6]-吡啶-1-基甲基]-N-甲基甲胺六氟磷酸盐N-氧化物（HATU）购自中国上海的Aldrich公司。其他化学品（丙酮、浓硝酸、去离子水）也用于实验。

CF的表面形貌

未处理CF、CF-D230、CF-D400和CF-D2000的表面形貌和粗糙度通过SEM和AFM进行了分析。如图2a所示，未处理CF的表面干净光滑，有几条平行于纤维轴的浅沟，这是聚丙烯腈前驱体碳化过程中的典型残留物。相应的AFM图像显示未处理CF的表面粗糙度（Ra）约为17.1 nm。

结论

总之，本研究通过用不同分子链长度的PEA涂覆碳纤维，提出了一种绿色且有效的策略来提升CF/环氧复合材料的界面性能。PEA涂层显著改善了碳纤维的表面粗糙度、润湿性和极性，从而显著提升了CF/环氧复合材料的机械性能。其中，CF-D400复合材料表现出最平衡的界面性能，其层间剪切强度（ILSS）、界面剪切强度（IFSS）和弯曲强度均有所提高。