碳纤维表面特性对T1100级碳纤维/双马来酰亚胺复合材料界面性能的影响

《Polymers》：Effect of Fiber Surface Characteristics on the Interfacial Properties of T1100-Grade Carbon Fiber Bismaleimide Composites Tianshu Li, Fenghui Shi, Weihan Wang, Hongchen Yan, Xiangyu Xu and Baoyan Zhang

　　

为阐明表面特性对T1100级碳纤维（CF）/双马来酰亚胺（BMI）复合材料界面性能的影响，研究人员对三种具有不同表面处理与上浆剂体系的T1100级碳纤维（F1、F2、F3）展开研究。研究表征了纤维表面物理化学性质及上浆剂与树脂的反应行为，创新性地采用纳米红外光谱定量表征界面结构，建立了表面特征、界面结构与力学性能之间的关联。结果表明，三种干喷湿纺T1100级碳纤维均呈光滑表面且粗糙度相近，机械互锁对界面黏结的贡献极小。F3具有最高的活性碳与氧含量以及环氧值，其上浆剂与BMI反应活性最强，形成约200 nm厚的界面层，界面剪切强度（IFSS）最高达95.9 MPa。构建“厚且强”的界面促使剪切失效模式由脆性向韧性转变，显著提升了复合材料的90°拉伸强度与层间剪切强度（ILSS）。该工作为T1100/BMI复合材料在航空航天主承力结构中的界面设计与工程应用提供了指导。

该研究针对T1100级碳纤维（CF）因干喷湿纺工艺导致的表面光滑、石墨结晶度高而引发的与树脂界面匹配难题，旨在明确其表面特征对界面性能的影响机制。研究人员选用威海拓展纤维有限公司提供的三种不同表面处理与上浆剂体系的T1100级碳纤维（F1、F2、F3）作为研究对象，以自制高韧性双马来酰亚胺（BMI）树脂为基体，通过热熔法制备单向预浸料并经热压罐工艺固化成型。研究发现，干喷湿纺T1100级碳纤维表面粗糙度约为16~17 nm且无显著差异，机械互锁对界面黏结贡献可忽略。F3表面具有最高的活性碳原子含量（25.24%）、氧含量、O/C比（0.188）及环氧值，其上浆剂含足量胺类固化剂，自固化反应焓达183.8 J/g，且与BMI树脂反应活性最强，反应焓为225.9 J/g。通过纳米红外光谱表征发现，F1、F2、F3形成的界面层厚度分别约为80 nm、160 nm、200 nm。界面剪切强度（IFSS）随界面增厚与化学键合增强而提升，F3的IFSS最高达95.9 MPa，较F1提升11.6%。宏观力学性能显示，F3/BMI复合材料的90°拉伸强度达78.5 MPa，层间剪切强度（ILSS）达118 MPa，均为最优水平，且失效模式由脆性转变为韧性。该研究首次将纳米红外光谱应用于T1100级碳纤维复合材料界面表征，建立了“纤维表面特征—界面微观结构—宏观力学性能”的定量关联，明确了高活性表面与高反应性上浆剂协同构建“厚且强”界面的调控策略，为航空航天主承力结构用高性能复合材料的设计与制备提供了重要的理论与实验依据，相关工作发表于《Polymers》。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）与原子力显微镜（AFM）表征纤维表面形貌与粗糙度；X射线光电子能谱（XPS）与化学滴定法分析表面元素组成及环氧值；差示扫描量热法（DSC）与原位傅里叶变换红外光谱（FTIR）解析上浆剂与树脂的反应特性；纳米红外光谱技术实现界面区域厚度与官能团浓度的定量表征；单纤维微脱粘试验测试界面剪切强度（IFSS）；90°拉伸与短梁剪切试验评价复合材料宏观力学性能。

3.1 T1100级碳纤维的表面形貌与物理性质

通过SEM与AFM观察，三种纤维均呈典型干喷湿纺光滑表面，粗糙度相近（16~17 nm），机械互锁作用可忽略。拉曼光谱分析表明，F1碳化温度最高，表面石墨化程度最高、惰性最强；F3碳化温度最低，表面惰性相对较弱。

3.2 T1100级碳纤维的表面化学特性

XPS分析显示，F3的活性碳原子含量（25.24%）、环氧基团含量（7.99%）、表面氧含量及O/C比（0.188）均为最高，最利于树脂润湿与界面键合。F2虽因含较多聚醚表面活性剂而总表面能最高，但其极性分量最低（8.34 mJ/m2），不利于界面化学作用。

3.3 不同T1100级碳纤维上浆剂与树脂的反应特性

DSC与原位FTIR结果表明，F1上浆剂在BMI固化温度范围内不发生自固化也不参与树脂反应；F2上浆剂自固化反应微弱（反应焓13.1 J/g），与树脂反应活性较低；F3上浆剂自固化反应完全（反应焓183.8 J/g），与BMI树脂在213℃即可发生剧烈反应，通过环氧开环与Diels-Alder加成反应形成大量共价键。

3.4 T1100级CF/树脂的界面特性及其对界面强度的影响

纳米红外光谱定量分析显示，界面厚度F3（~200 nm）> F2（~160 nm）> F1（~80 nm）。F3界面区域官能团浓度最高，IFSS达95.9 MPa。失效模式分析表明，F1为纤维表面脆性脱粘，F2为混合失效，F3为界面区域韧性失效，树脂残留最多。

3.5 界面性能对T1100级CF/BMI复合材料性能的影响

复合材料90°拉伸强度与ILSS趋势与IFSS一致（F3 > F2 > F1）。F3复合材料层间剪切失效呈典型韧性断裂形貌，验证了“强界面—韧性失效—高性能”的关联规律。

讨论与结论部分指出，T1100级碳纤维的表面化学特性而非物理粗糙度主导界面性能。高O/C比与充足环氧、羟基是提升树脂润湿性与化学键合的关键；上浆剂需含足量胺类固化剂以确保高反应活性，从而形成“厚且强”的界面层。该研究成果可直接应用于飞机机翼、卫星承力结构等航空航天主承力部件的制造，推动先进复合材料在轻量化与高可靠性方向的发展。