北化賈曉龍教授、楊小平教授團隊與南昆士蘭大學王浩教授團隊：在碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料新型高氫鍵密度界面相的構(gòu)建方面取得新進展
2024-05-10 來源：高分子科技
50多年來，碳纖維增強聚合物復合材料（CFRP）因其輕量化、高力學強度等特性已經(jīng)被廣泛應用于航空航天、汽車、鐵路運輸、海洋和風能等領(lǐng)域。強韌平衡的CFRP已被證實有利于延長其服役壽命。除了設計高強韌的樹脂基體外，碳纖維和樹脂基體之間的強韌界面設計往往被忽略。由于蹺蹺板效應，同時提高強度和韌性一直是一項挑戰(zhàn)。針對該問題，該團隊在前期開展了大量新型強韌界面相的構(gòu)筑工作，，并建立了特色的界面相結(jié)構(gòu)微觀表征技術(shù)，如界面粘附力微觀測量技術(shù)（Chemical Engineering Journal, 2020, 388: 124255；Advanced Composites and Hybrid Materials, 2024, 7(2): 72）、納米紅外Mapping（Composites Science and Technology, 2018, 163: 26–33）、拉曼Mapping（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 55633?55647）、界面相聚組分分布分子模擬技術(shù)（Composites Part B 2023, 257, 110674），實現(xiàn)了界面強度和韌性的同步提升。
近期，該團隊受到蜘蛛絲啟發(fā)，制備了三種不同支化度的超支化聚酰胺胺（HPAA），系統(tǒng)研究了不同支化度與氫鍵密度的關(guān)系，結(jié)合2D FTIR和界面粘附力微觀測量技術(shù)研究了氫鍵作用的類型和大小，基于EPD法引入了氧化石墨烯（GO）至纖維表面，構(gòu)建了具有不同氫鍵密度的界面相結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，具有高氫鍵密度的纖維表面提供了更多的氫鍵相互作用位點，促進了GO的沉積。得益于界面粘附力、表面能和界面厚度的改善，功能化CF/EP復合材料的界面強度和斷裂韌性分別比未經(jīng)處理的CF/EP復合材料提高了94.5%和110.0%。界面性能的增強機理歸因于“納米漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的形成，促進了應力傳遞和額外能量的吸收。本文提出的通過調(diào)控超支化聚合物的支化結(jié)構(gòu)進而調(diào)節(jié)分子間作用力的方法為高性能纖維表面改性提供了一種先進的途徑。
以上研究成果以“Spider silk-inspired heterogeneous interphase featuring hybrid interaction for simultaneously improving the interfacial strength and fracture toughness between carbon fiber and epoxy by regulating hydrogen bond density” 為題，發(fā)表于Composites Part B：Engineering上。北京化工大學博士研究生黎何豐為第一作者，北京化工大學賈曉龍教授與澳大利亞南昆士蘭大學王浩教授為通訊作者。
該研究受到北京自然科學基金（No. 2242052, No. 2192044）、國家重點研發(fā)計劃（No. 2019YFB1504800）、中央高；究蒲袠I(yè)務費（No. XK1802-2）、BUCT青年人才計劃、2020-2023有機無機復合材料國家重點實驗室開放課題（No. Oic-202001008, Oic-202101008, Oic-202201007, Oic-202301003）等項目資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111476
近期，該團隊受到蜘蛛絲啟發(fā)，制備了三種不同支化度的超支化聚酰胺胺（HPAA），系統(tǒng)研究了不同支化度與氫鍵密度的關(guān)系，結(jié)合2D FTIR和界面粘附力微觀測量技術(shù)研究了氫鍵作用的類型和大小，基于EPD法引入了氧化石墨烯（GO）至纖維表面，構(gòu)建了具有不同氫鍵密度的界面相結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，具有高氫鍵密度的纖維表面提供了更多的氫鍵相互作用位點，促進了GO的沉積。得益于界面粘附力、表面能和界面厚度的改善，功能化CF/EP復合材料的界面強度和斷裂韌性分別比未經(jīng)處理的CF/EP復合材料提高了94.5%和110.0%。界面性能的增強機理歸因于“納米漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的形成，促進了應力傳遞和額外能量的吸收。本文提出的通過調(diào)控超支化聚合物的支化結(jié)構(gòu)進而調(diào)節(jié)分子間作用力的方法為高性能纖維表面改性提供了一種先進的途徑。
圖1 蜘蛛絲啟發(fā)的高氫鍵密度界面相構(gòu)建過程
圖2 不同支化度超支化聚酰胺胺的合成路線示意圖
圖3 氫鍵作用的種類和密度研究
圖4 不同改性纖維界面粘附力測試
圖5 界面強度和韌性測試及脫粘后形貌的SEM圖
以上研究成果以“Spider silk-inspired heterogeneous interphase featuring hybrid interaction for simultaneously improving the interfacial strength and fracture toughness between carbon fiber and epoxy by regulating hydrogen bond density” 為題，發(fā)表于Composites Part B：Engineering上。北京化工大學博士研究生黎何豐為第一作者，北京化工大學賈曉龍教授與澳大利亞南昆士蘭大學王浩教授為通訊作者。
該研究受到北京自然科學基金（No. 2242052, No. 2192044）、國家重點研發(fā)計劃（No. 2019YFB1504800）、中央高；究蒲袠I(yè)務費（No. XK1802-2）、BUCT青年人才計劃、2020-2023有機無機復合材料國家重點實驗室開放課題（No. Oic-202001008, Oic-202101008, Oic-202201007, Oic-202301003）等項目資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111476
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