1成果簡介

高性能碳纖維/環氧樹脂（CF/EP）復合材料在工程技術領域應用廣泛，其中碳纖維表面與環氧基體間的界面結合對復合材料性能至關重要。為提升界面性能，本文，北京化工大學孫世超 助理研究員、曹維宇 教授等在《ACS Appl. Nano Mater》期刊發表名為“SiO2-Based Janus Nanosheet-Modified Carbon Fibers for Carbon Fiber/Epoxy (CF/EP) Composites”的論文，研究提出雙表面異功能結構方案。通過溶膠-凝膠自組裝法合成了具有內層氨基和外層環氧基團的二氧化硅基雙面納米片。隨后通過電化學接枝技術將這種二維剛性材料引入碳纖維表面。實驗結果表明，二氧化硅基雙面納米片通過化學鍵合均勻接枝于碳纖維表面。該雙面納米片通過增強碳纖維與樹脂間的機械咬合，使界面剪切強度提升38.3%。本研究提出利用二維雙面納米片構建雙化學鍵界面層的策略，有效改善了碳纖維復合材料的界面粘結性能。

2圖文導讀

圖1. Schematic of the synthesis of SiO2-based Janus hollow spheres and electrochemical grafting of Janus nanoparticles onto the CF surface.

圖2. SEM images of (a,b) SiO2-based Janus hollow spheres with different diameters, (c,d) Janus nanosheets with different thicknesses; photo of (e) SiO2-based Janus powder; (f) FT-IR spectra of Janus material and SiO2; and (g–i) fluorescence images of FITC-stained Janus material under laser illumination.

圖3. SEM images of SiO2-based Janus nanosheets electrochemically grafted onto CFs under different current intensities: (a) CF; (b) CF-1; (c) CF-2; (d) CF-4; (e) CF-6; (f) CF-8; and (g) CF-10.

圖4. (a) FT-IR spectra of SiO2-based Janus nanosheet-grafted CFs, SiO2-based Janus nanosheets, and ungrafted CFs. (b) Thermogravimetric analysis (TGA) curves of CF and CF-2.

圖5. Full-scan XPS spectra of ungrafted (a) and grafted CFs; (b–h) C 1s XPS spectra of SiO2-based Janus nanosheet-grafted and ungrafted CFs.

圖6. (a) IFSS of ungrafted and grafted CFs; (b) SEM photo of ungrafted CFs after debonding; (c) SEM photo of grafted CFs after debonding; AFM images of (d) ungrafted CFs and (e) grafted CFs; (f) schematic of the mechanism by which Janus nanosheets enhance the CF/EP interfacial shear strength (IFSS).

3小結

本研究通過電化學接枝技術，將具有雙面異質功能結構的二氧化硅基雙面納米片接枝到碳纖維表面。這些納米片不僅增強了纖維表面的粗糙度，還改善了碳纖維表面與電泳涂層之間的化學相容性，從而顯著提升了界面性能和結構強度。掃描電子顯微鏡（SEM）、傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）及X射線光電子能譜（XPS）分析證實了二氧化硅基雙面納米片與碳纖維表面的化學鍵合。該納米片實現了雙重化學作用：其內表面與纖維表面官能團形成酰胺鍵，外表面則參與環氧樹脂固化。此外，剛性二維納米片在應力作用下抑制了界面層微裂紋擴展，顯著提升界面強度與耐久性。由此使界面剪切強度（IFSS）提升38.3%。該方法突破了現有技術局限——當前石墨烯氧化物等二維剛性材料主要通過物理吸附附著于碳纖維表面。同時顯著增強了碳纖維復合材料的界面穩定性。從研究視角看，本研究為碳纖維表面改性及碳纖維增強復合材料的界面增強提供了新方向。

文獻：
https://doi.org/10.1021/acsanm.5c04545

來源：材料分析與應用