基于高效电化学沉积聚多巴胺层的方法，实现了高模量碳纤维增强环氧复合材料优异的界面性能

《Composites Part B: Engineering》：Superior Interfacial Properties of High Modulus Carbon Fiber Reinforced Epoxy Composites Achieved Based on Efficient Electrochemical Deposition of Polydopamine Layer

通过电化学氧化技术结合聚多巴胺（PDA）涂层，有效提升了高模量碳纤维（HMCF）与环氧树脂基体界面结合强度，10分钟内形成稳定PDA层，界面剪切强度提升约250%。机理涉及表面极性基团增加亲水性及氢键、共价键、π-π堆积等多机制协同增强界面相互作用。

　　

董晓高|孟凡王|侯卫路|高爱军|曹伟宇

教育部碳纤维与功能聚合物重点实验室，北京化工大学，北京100029，中国

摘要：

由于高模量碳纤维（HMCFs）表面具有很强的惰性，HMCFs增强树脂复合材料的界面性能通常较差。据报道，沉积多巴胺（PDA）是一种改善HMCFs表面性能的有效方法，然而，传统的自聚（溶液浸渍）工艺需要较长时间（数小时）。在本研究中，将电化学氧化技术与PDA沉积相结合，为提高HMCFs与环氧树脂（EP）基体之间的界面粘附性提供了一种高效策略。通过使用碳酸氢铵（NH₄HCO₃）-多巴胺（DA）电解质系统，实现了PDA在HMCFs表面的电化学原位接枝。系统研究了碳纤维表面物理化学结构的变化以及复合材料的界面性能。结果表明，在仅10分钟内，HMCFs表面形成了均匀稳定的PDA层，其界面剪切强度（IFSS）显著提高（相比未经处理的纤维提高了约250%）。PDA涂层不仅引入了丰富的极性官能团，改善了纤维表面的润湿性，还通过氢键、共价键和π-π堆积增强了与环氧基体的界面相互作用。本研究突显了电化学PDA沉积在增强纤维-基体界面方面的显著优势，并为优化HMCFs/树脂复合材料的性能提供了有前景的策略。

章节摘录

引言

近年来，随着航空航天等先进领域的快速发展，对高性能碳纤维增强复合材料的需求显著增加。其中，高模量碳纤维（HMCFs）因其高比模量、低密度和优异的热稳定性1, 2, 3，以及与中低模量碳纤维相比更优越的刚度和尺寸稳定性，而在前沿应用中受到了广泛关注

材料

HMCFs是使用实验室规模的碳纤维生产设备制备的，其中聚丙烯腈（PAN）前驱纤维依次经过预氧化、碳化和石墨化处理。制备得到的HMCF模量为480 GPa，抗拉强度为2.9 GPa。多巴胺盐酸盐（DA·HCl，纯度≥98%，分析级）购自Macklin Biochemical Co., Ltd.（上海，中国）。碳酸氢铵（分析级，AR）也来自相同来源

通过电化学沉积在HMCF表面构建PDA层

图2展示了不同处理时间后HMCFs的表面形态。未经处理的HMCFs表面光滑平整，没有明显的沟槽或缺陷（图2a, 2a1）。在NH₄HCO₃-DA电解质中电化学处理2-6分钟后（图2b-d），碳纤维表面出现了少量细小颗粒。当处理时间延长至8-10分钟（图2e-f）时，纤维表面逐渐变得均匀

结论

本研究将电化学阳极氧化与多巴胺（PDA）涂层的构建相结合，用于HMCF的表面改性。结果表明，这种方法能够在碳纤维/环氧树脂界面形成协同作用的网络，显著提高界面粘附性。改性后的碳纤维表面富含活性官能团（羟基、羧基、醌等），并且界面性能得到改善

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

作者贡献声明

孟凡王：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。董晓高：撰写 – 原稿撰写、实验研究、数据分析、概念构思。曹伟宇：撰写 – 审稿与编辑。高爱军：撰写 – 审稿与编辑。侯卫路：实验研究、数据管理

未引用参考文献

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利益冲突声明

我们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了中央高校的基础研究基金支持（资助编号：BUCTRC202120）。