基于新型表面结构构建的高模量碳纤维表面与界面性能的优化

《Surfaces and Interfaces》：Optimization of Surface and Interface Properties of High Modulus Carbon Fibers Based on the Construction of Novel Surface Structure

高模量碳纤维经硝酸-柠檬酸钠混合电解质电化学氧化处理后形成坑状表面形貌，显著提升纤维与基体界面剪切强度（较未处理纤维提高179%，较传统电解质处理组提高50%），同时保持拉伸强度不变。该新型表面改性方法通过增加比表面积和调控无序碳结构增强化学活性，为碳纤维复合材料的界面优化提供新策略。

　　

康永超|王梦凡|侯伟璐|高东晓|高爱军|曹伟宇

北京化工大学有机-无机复合材料国家重点实验室及教育部碳纤维与功能聚合物重点实验室，中国北京 100029

摘要

高模量碳纤维（HMCF）表面的强惰性是其复合材料界面性能的主要障碍。尽管常用的电化学阳极氧化处理方法可以增强HMCF表面的活性，但传统的电解质（如强酸、铵盐）效果有限。在本研究中，通过使用HNO?-C?H?Na?O?（硝酸-柠檬酸钠）混合电解质系统，在HMCF表面制备出了传统的阳极氧化方法无法实现的独特坑状表面形态。这种改性结构通过两种机制显著提升了界面性能：（1）增加的表面积增强了树脂之间的物理结合；（2）无序的碳结构显著提高了含氧官能团的浓度，从而增强了化学交联作用。与未经处理的纤维相比，经过这种新型结构改性的HMCF的界面剪切强度（IFSS）提高了179%，并且比使用传统电解质处理的纤维高出50%。重要的是，HMCF的拉伸强度没有下降。这项工作建立了一种简单高效的HMCF表面改性方法，具有显著的工业应用前景。

部分内容摘录

引言

高模量碳纤维（HMCF，模量高于350 GPa）复合材料具有出色的性能，包括优异的机械性能、低密度和较低的线性热膨胀系数。这些特性使得它们在需要轻质、高刚性且尺寸稳定性高的应用中不可或缺，例如航空航天和深海探索[[1], [2], [3], [4], [5]]。在HMCF复合材料中，碳纤维与基体的界面...

样品制备

使用自制的碳纤维制备设备，通过依次进行预氧化、碳化和石墨化工艺，制备了模量为380 GPa的HMCF（见图1a，HMCF的详细制备过程在补充信息中有所描述）。所用试剂包括硝酸（HNO?，北京科化试剂有限公司），柠檬酸钠（C?H?Na?O?，山东恩林生物技术有限公司），硫酸（H?SO?，现代东方技术发展有限公司）...

HMCF的表面形态

使用SEM观察了HMCF在HNO?-C?H?Na?O?混合电解质中电化学改性9分钟后的表面形态，电流密度为6.17 mA/cm2。如图2a和b所示，未经处理和经过处理的HMCF表面都相对光滑，没有明显的缺陷，表明改性过程没有对碳纤维造成可见的损伤。同一样品的纳米级表面形态通过AFM进行了表征。图2c显示...

结论

由于HMCF表面的高石墨化程度，传统的表面改性技术效果有限。在本研究中，使用HNO?-C?H?Na?O?（柠檬酸钠）混合电解质系统在HMCF表面制备出了独特的坑状表面形态。这种处理显著增强了表面的物理粗糙度和化学活性，从而显著提高了润湿性。因此，HMCF的界面剪切强度（IFSS）...

作者贡献声明

康永超：研究、数据分析、数据整理、初稿撰写。王梦凡：概念设计、方法论制定、监督、资金筹集、审稿与编辑。侯伟璐：研究、数据整理。高东晓：研究、数据整理。高爱军：方法论制定、审稿与编辑。曹伟宇：监督、审稿与编辑

数据获取

数据可应要求提供。

作者贡献声明

康永超：初稿撰写、研究、数据分析。王梦凡：审稿与编辑、数据可视化、项目管理、方法论制定、概念设计。侯伟璐：研究、数据分析。高东晓：研究、数据分析。高爱军：审稿与编辑。曹伟宇：初稿撰写、数据分析。

利益冲突声明

我们声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到了中央高校基本科研业务费（项目编号：BUCTRC202120）的支持。