北化賈曉龍教授、楊小平教授團(tuán)隊(duì)與南昆士蘭大學(xué)王浩教授團(tuán)隊(duì)：在碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料新型高氫鍵密度界面相的構(gòu)建方面取得新進(jìn)展
2024-05-10 來源：高分子科技
50多年來，碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（CFRP）因其輕量化、高力學(xué)強(qiáng)度等特性已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、鐵路運(yùn)輸、海洋和風(fēng)能等領(lǐng)域。強(qiáng)韌平衡的CFRP已被證實(shí)有利于延長(zhǎng)其服役壽命。除了設(shè)計(jì)高強(qiáng)韌的樹脂基體外，碳纖維和樹脂基體之間的強(qiáng)韌界面設(shè)計(jì)往往被忽略。由于蹺蹺板效應(yīng)，同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。針對(duì)該問題，該團(tuán)隊(duì)在前期開展了大量新型強(qiáng)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(cè)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(shí)現(xiàn)了界面強(qiáng)度和韌性的同步提升。
近期，該團(tuán)隊(duì)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(cè)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(diǎn)，促進(jìn)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(fù)合材料的界面強(qiáng)度和斷裂韌性分別比未經(jīng)處理的CF/EP復(fù)合材料提高了94.5%和110.0%。界面性能的增強(qiáng)機(jī)理歸因于“納米漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的形成，促進(jìn)了應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(xué)博士研究生黎何豐為第一作者，北京化工大學(xué)賈曉龍教授與澳大利亞南昆士蘭大學(xué)王浩教授為通訊作者。
該研究受到北京自然科學(xué)基金（No. 2242052, No. 2192044）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（No. 2019YFB1504800）、中央高；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（No. XK1802-2）、BUCT青年人才計(jì)劃、2020-2023有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（No. Oic-202001008, Oic-202101008, Oic-202201007, Oic-202301003）等項(xiàng)目資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111476
近期，該團(tuán)隊(duì)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(cè)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(diǎn)，促進(jìn)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(fù)合材料的界面強(qiáng)度和斷裂韌性分別比未經(jīng)處理的CF/EP復(fù)合材料提高了94.5%和110.0%。界面性能的增強(qiáng)機(jī)理歸因于“納米漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的形成，促進(jìn)了應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(cè)試
圖5 界面強(qiáng)度和韌性測(cè)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(xué)博士研究生黎何豐為第一作者，北京化工大學(xué)賈曉龍教授與澳大利亞南昆士蘭大學(xué)王浩教授為通訊作者。
該研究受到北京自然科學(xué)基金（No. 2242052, No. 2192044）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（No. 2019YFB1504800）、中央高；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（No. XK1802-2）、BUCT青年人才計(jì)劃、2020-2023有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（No. Oic-202001008, Oic-202101008, Oic-202201007, Oic-202301003）等項(xiàng)目資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111476
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