《Composites Part B: Engineering》：Superior Interfacial Properties of High Modulus Carbon Fiber Reinforced Epoxy Composites Achieved Based on Efficient Electrochemical Deposition of Polydopamine Layer
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通過(guò)電化學(xué)氧化技術(shù)結(jié)合聚多巴胺（PDA）涂層，有效提升了高模量碳纖維（HMCF）與環(huán)氧樹(shù)脂基體界面結(jié)合強(qiáng)度，10分鐘內(nèi)形成穩(wěn)定PDA層，界面剪切強(qiáng)度提升約250%。機(jī)理涉及表面極性基團(tuán)增加親水性及氫鍵、共價(jià)鍵、π-π堆積等多機(jī)制協(xié)同增強(qiáng)界面相互作用。
董曉高|孟凡王|侯衛(wèi)路|高愛(ài)軍|曹偉宇
教育部碳纖維與功能聚合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京化工大學(xué)，北京100029，中國(guó)
摘要：
由于高模量碳纖維（HMCFs）表面具有很強(qiáng)的惰性，HMCFs增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料的界面性能通常較差。據(jù)報(bào)道，沉積多巴胺（PDA）是一種改善HMCFs表面性能的有效方法，然而，傳統(tǒng)的自聚（溶液浸漬）工藝需要較長(zhǎng)時(shí)間（數(shù)小時(shí)）。在本研究中，將電化學(xué)氧化技術(shù)與PDA沉積相結(jié)合，為提高HMCFs與環(huán)氧樹(shù)脂（EP）基體之間的界面粘附性提供了一種高效策略。通過(guò)使用碳酸氫銨（NH4HCO3）-多巴胺（DA）電解質(zhì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了PDA在HMCFs表面的電化學(xué)原位接枝。系統(tǒng)研究了碳纖維表面物理化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化以及復(fù)合材料的界面性能。結(jié)果表明，在僅10分鐘內(nèi)，HMCFs表面形成了均勻穩(wěn)定的PDA層，其界面剪切強(qiáng)度（IFSS）顯著提高（相比未經(jīng)處理的纖維提高了約250%）。PDA涂層不僅引入了豐富的極性官能團(tuán)，改善了纖維表面的潤(rùn)濕性，還通過(guò)氫鍵、共價(jià)鍵和π-π堆積增強(qiáng)了與環(huán)氧基體的界面相互作用。本研究突顯了電化學(xué)PDA沉積在增強(qiáng)纖維-基體界面方面的顯著優(yōu)勢(shì)，并為優(yōu)化HMCFs/樹(shù)脂復(fù)合材料的性能提供了有前景的策略。
章節(jié)摘錄
引言
近年來(lái)，隨著航空航天等先進(jìn)領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)高性能碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的需求顯著增加。其中，高模量碳纖維（HMCFs）因其高比模量、低密度和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性1, 2, 3，以及與中低模量碳纖維相比更優(yōu)越的剛度和尺寸穩(wěn)定性，而在前沿應(yīng)用中受到了廣泛關(guān)注
材料
HMCFs是使用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的碳纖維生產(chǎn)設(shè)備制備的，其中聚丙烯腈（PAN）前驅(qū)纖維依次經(jīng)過(guò)預(yù)氧化、碳化和石墨化處理。制備得到的HMCF模量為480 GPa，抗拉強(qiáng)度為2.9 GPa。多巴胺鹽酸鹽（DA·HCl，純度≥98%，分析級(jí)）購(gòu)自Macklin Biochemical Co., Ltd.（上海，中國(guó)）。碳酸氫銨（分析級(jí)，AR）也來(lái)自相同來(lái)源通過(guò)電化學(xué)沉積在HMCF表面構(gòu)建PDA層
圖2展示了不同處理時(shí)間后HMCFs的表面形態(tài)。未經(jīng)處理的HMCFs表面光滑平整，沒(méi)有明顯的溝槽或缺陷（圖2a, 2a1）。在NH4HCO3-DA電解質(zhì)中電化學(xué)處理2-6分鐘后（圖2b-d），碳纖維表面出現(xiàn)了少量細(xì)小顆粒。當(dāng)處理時(shí)間延長(zhǎng)至8-10分鐘（圖2e-f）時(shí)，纖維表面逐漸變得均勻結(jié)論
本研究將電化學(xué)陽(yáng)極氧化與多巴胺（PDA）涂層的構(gòu)建相結(jié)合，用于HMCF的表面改性。結(jié)果表明，這種方法能夠在碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂界面形成協(xié)同作用的網(wǎng)絡(luò)，顯著提高界面粘附性。改性后的碳纖維表面富含活性官能團(tuán)（羥基、羧基、醌等），并且界面性能得到改善
利益沖突聲明
作者聲明他們沒(méi)有已知的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文的研究工作。
作者貢獻(xiàn)聲明
孟凡王：撰寫(xiě) – 審稿與編輯、監(jiān)督、資金獲取、概念構(gòu)思。董曉高：撰寫(xiě) – 原稿撰寫(xiě)、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)分析、概念構(gòu)思。曹偉宇：撰寫(xiě) – 審稿與編輯。高愛(ài)軍：撰寫(xiě) – 審稿與編輯。侯衛(wèi)路：實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)管理
利益沖突聲明
我們聲明沒(méi)有已知的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文的研究工作。致謝
本工作得到了中央高校的基礎(chǔ)研究基金支持（資助編號(hào)：BUCTRC202120）。
