導(dǎo)讀：具有更高強(qiáng)度和韌性的碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）是汽車、航空和航天等快速發(fā)展的工業(yè)部門發(fā)展中必不可少的材料。本文通過溫和而簡單的自組裝策略設(shè)計(jì)了一種新穎的“軟剛性”界面層，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和韌性的同步提高。通過靜電相互作用，將帶正電荷的聚乙烯亞胺（PEI）和由金屬有機(jī)框架（UIO-66）和氧化石墨烯（GO）組成的帶負(fù)電荷的納米配合物組裝在碳纖維（CF）上。結(jié)果表明，纖維表面改性顯著提高了纖維表面的粗糙度和潤濕性，與采用原始CF作為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料相比，具有“軟剛性”界面相的復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度（IFSS）和層間剪切強(qiáng)度（ILSS）分別提高了42.12%和23.07%。此外，CFRP經(jīng)處理后的脫粘和斷裂表面表現(xiàn)出改善的界面性能。此外，復(fù)合材料的沖擊韌性從60.24 kJ/m提高到60.24 kJ/m2至 89.38 kJ/m2。

在倡導(dǎo)低碳、節(jié)能減排的背景下，碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）因其高強(qiáng)度/重量比的優(yōu)勢(shì)而在許多領(lǐng)域（特別是在新能源汽車中）得到應(yīng)用。然而，由于碳纖維（CFs）的非極性和化學(xué)惰性表面，CFRP的界面失效情況經(jīng)常發(fā)生。因此，CFs的表面需要改性，以提高CFRPs的強(qiáng)度和韌性。為避免這個(gè)問題，科學(xué)家們已經(jīng)做出了許多努力，例如在CF上應(yīng)用酸氧化、化學(xué)移植、高能輻射或等離子體處理。這些策略都提高了復(fù)合材料的界面強(qiáng)度。然而，通常情況下CFs和樹脂之間的強(qiáng)界面可能會(huì)加劇相鄰纖維的應(yīng)力集中，從而促進(jìn)早期脆性破壞并降低CFRPs的韌性。

通過將納米材料與低剛度材料相結(jié)合來構(gòu)建界面，有望成為提高材料韌性和強(qiáng)度的策略。對(duì)于CFRPs，具有反應(yīng)性官能團(tuán)的柔性聚合物可用作低剛性組分。已經(jīng)存在由氫氧化鎳（Ni（OH））形成的界面層和聚乙烯亞胺（PEI），GO和超支化聚甘油（HPG），PEI和納米二氧化硅（SiO2)。聚醚胺（PEA）/GO的界面層也被采用，其中構(gòu)造（PEA/GO）9 逐層自組裝提高了界面剪切強(qiáng)度（IFSS）和界面韌性（G集成電路）分別增長了67.7%和129%。這些改進(jìn)歸功于更好的相容性、機(jī)械聯(lián)鎖、強(qiáng)大的化學(xué)鍵和納米顆粒增強(qiáng)。但對(duì)界面相互作用的部分解釋，特別是對(duì)機(jī)械聯(lián)鎖的解釋，及其對(duì)CFRPs界面性能的影響尚不清楚，缺乏直觀的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種由反應(yīng)性柔性聚合物和納米材料形成的新型可控間相。

對(duì)于納米材料MOF因其優(yōu)異的耐熱性、可控的尺寸和豐富的反應(yīng)位點(diǎn)而被選中。然而MOFs對(duì)水敏感，長時(shí)間暴露于潮濕空氣后表面積會(huì)急劇減少。為了提高M(jìn)OF的穩(wěn)定性，氧化石墨烯（GO）通常被用作MOF的載體。本文合成了MOF/GO納米配合物作為“軟剛性”界面結(jié)構(gòu)的剛性組分。

基于此，上述復(fù)雜間期界面相互作用的解釋并不明顯，缺乏直觀的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。本文通過靜電自組裝構(gòu)建了由PEI和MOF/GO組成的新型“軟剛性”界面層結(jié)構(gòu)。柔性PEI作為“軟”組件組裝在CF表面上，然后是剛性MOF / GO。為了了解這種新型“軟剛性”間期的界面相互作用及其影響，研究了PEI或MOF修飾的CF，并與“軟剛性”間相進(jìn)行了比較。采用接觸角、SEM、AFM等對(duì)界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，了解界面交互作用。結(jié)果表明，CF-PEI-MG/EP的界面強(qiáng)度和韌性均顯著高于用PEI或MOF改性改性CF增強(qiáng)復(fù)合材料。純PEI或MOF改性復(fù)合材料中除了具有更好的相容性、較強(qiáng)的化學(xué)鍵、增加的機(jī)械聯(lián)鎖和納米顆粒增強(qiáng)等界面相互作用外，CF-PEI-MG/EP的界面相互作用還包括多方裂紋偏轉(zhuǎn)和納米偶聯(lián)相互作用。值得注意的是，“納米耦合”對(duì)于提高界面性能至關(guān)重要，這在其他研究中尚未發(fā)現(xiàn)。對(duì)于納米偶聯(lián)相互作用，MOF/GO通過MOF/GO與PEI之間的靜電相互作用以及PEI與環(huán)氧樹脂之間的共價(jià)鍵固定在PEI和環(huán)氧基質(zhì)之間形成強(qiáng)大的機(jī)械聯(lián)鎖。這種具有“納米偶聯(lián)劑”的新型“軟剛性”界面可用作通過結(jié)合納米材料和局部可變形材料（低剛度）來開發(fā)具有更高強(qiáng)度和韌性的復(fù)合材料的設(shè)計(jì)指南。

在本文綜述中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了通過靜電組件構(gòu)建一種新的“軟剛性”界面層改善復(fù)合材料的界面強(qiáng)度和韌性的方法。通過靜電相互作用，將帶正電荷的聚乙烯亞胺（PEI）和由金屬有機(jī)框架（UIO-66）和氧化石墨烯（GO）組成的帶負(fù)電荷的納米配合物組裝在碳纖維（CF）上，結(jié)果表明纖維表面改性顯著提高了纖維表面的粗糙度和潤濕性。具有“軟剛性”界面相的復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度（IFSS）和層間剪切強(qiáng)度（ILSS）分別提高了42.12%和23.07%。此外，CFRP經(jīng)處理后的脫粘和斷裂表面表現(xiàn)出改善的界面性能。此外，復(fù)合材料的沖擊韌性從60.24 kJ/m提高到60.24 kJ/m2至 89.38 kJ/m2。本文以題“Improvement on strength and toughness for CFRPs by construction of novel ”soft-rigid“ interface layer”發(fā)表在Composites上。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836822002268

圖1.界面層的施工過程、“軟剛”結(jié)構(gòu)示意圖及界面結(jié)構(gòu)中的相互作用力

圖2.合成和模擬UIO-66，GO和UIO-66 / GO的X射線衍射圖

圖3.原始和改良CF的FT-IR光譜

圖 4.（a） 不同CF的寬掃描XPS光譜和（b）C1s和（c）N1s峰值的相應(yīng)高分辨率XPS光譜

圖 5.（i） SEM 和 （ii） （a） CF、（b） CF-COOH、（c） CF-PEI、（d） CF-PEI-MG 的 AFM 圖像

圖 6.（a） 不同CF與測(cè)試液體之間的接觸角。（b） 不同CF束與水滴隨時(shí)間變化的接觸角

圖 7.（a） 威布爾分布擬合曲線及相關(guān)參數(shù)表，包括威布爾形狀參數(shù)（m）、尺度參數(shù)（δ0（b）商業(yè)尺寸CF和不同CF增強(qiáng)復(fù)合材料的IFSS，ILSS和彎曲強(qiáng)度。（c） CF-MOF的掃描電鏡圖像和相應(yīng)復(fù)合材料的IFSS

圖 8.單纖維拔出試驗(yàn)后不同CF/EP的脫粘表面形態(tài)：（a）CF，（b）CF-COOH，（c）CF-PEI，（d）CF-PEI-MG，（e）CF-MOF

圖 9. PEI-UIO-66/GO“軟剛性”中間階段的強(qiáng)化機(jī)制

圖 10.界面性能測(cè)試后復(fù)合材料的斷裂面：（a）CF，（b）CF-COOH，（c）CF-PEI，（d）CF-PEI-MG在（i）緯向和（ii）暴露的纖維

圖 11.不同CFRP的沖擊強(qiáng)度

圖 12.AFM力調(diào)制圖像和復(fù)合材料中相間的剖面分析，通過（a）CF，（b）CF-COOH，（c）CF-PEI和（d）CF-PEI-MG增強(qiáng)