综述：用于增强碳纤维增强复合材料性能的碳纤维表面功能化策略：综述

《Journal of Applied Polymer Science》：Carbon Fiber Surface Functionalization Strategies for Enhancing the Performance of Carbon Fiber-Reinforced Composites: A Review

这篇综述系统评述了碳纤维表面功能化策略，旨在解决其惰性表面导致的纤维-树脂基体界面结合弱的核心问题。文章重点探讨了化学氧化、硅烷处理、等离子体处理和纳米颗粒掺入等主流方法，通过引入含氧官能团、增加表面粗糙度和构建强化界面相，以提升复合材料的层间剪切强度（ILSS）、拉伸强度等力学性能，并展望了未来绿色环保和人工智能辅助设计等发展方向。

　　

碳纤维以其高拉伸强度、高模量、优异的化学稳定性和热稳定性，成为高性能复合材料中不可或缺的增强组分。然而，其光滑、惰性的表面缺乏极性基团，导致与聚合物树脂的粘附性能不佳，成为制约碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料性能提升的瓶颈。为了克服这一挑战，各种表面处理策略应运而生，旨在通过增加反应位点、提升表面粗糙度和引入功能性基团，来强化纤维与基体间的界面结合。

表面处理策略概览

提高纤维-基体粘附性和复合材料性能的基本机制主要可通过三种途径实现：其一，在纤维表面添加活性官能团，与树脂基体形成化学连接；其二，增加纤维表面粗糙度，促进更有效的机械互锁；其三，构建强化的界面相结构，提升应力传递效率。不同的处理方法在成本、效率和改性机制上各有特点。化学氧化法成本低廉、操作简单，能有效引入含氧官能团，但过度处理可能削弱纤维自身强度。硅烷偶联剂（SCA）处理能在界面形成化学“桥梁”，显著提升粘附力。等离子体处理作为一种物理方法，可快速增加表面粗糙度和活性位点，且不损伤纤维本体。纳米颗粒涂层则能创建纳米增强界面相，实现机械联锁，并赋予复合材料如导热、导电等多功能特性。

氧化法：引入活性基团的基石

氧化是一种简单且经济有效的方法，通过在碳纤维表面引入含氧官能团（如羟基-OH、羧基-COOH、羰基C=O），使其从化学惰性转变为活性表面。例如，采用浓HNO₃和H₂SO₄混合酸对碳纤维进行氧化处理，可成功引入这些极性基团。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实了处理后的碳纤维表面存在羧基和羟基。这些基团能与环氧树脂末端的氧原子形成更强键合，从而改善粘附。研究表明，经过优化的酸氧化处理可使碳纤维/环氧树脂的界面剪切强度（IFSS）提升29.9%。另一项采用H₂O₂/H₂O/O₃蒸汽辅助氧化的方法，则通过增强碳纤维与环氧基体间的物理和化学界面相互作用，使复合材料的层间剪切强度（ILSS）提升了43.3%。然而，处理时间需精确控制，因为长时间氧化可能导致纤维强度下降。

硅烷处理：构建强韧的化学桥梁

硅烷偶联剂是改善界面性能的有效工具。它们含有可水解的烷氧基和能与树脂反应的有机官能团。水解后产生的硅醇基可与纤维表面的羟基反应，形成牢固的-Si-O-Si-网络，同时其有机端则与聚合物基体发生化学键合，从而在纤维与树脂之间充当“分子桥”。例如，采用氧化预处理后再用硅烷偶联剂KH-550处理的碳纤维，其环氧复合材料的ILSS提升了49.27%，弯曲强度提升了106.57%。研究比较了KH-550、KH-560和KH-570三种硅烷偶联剂处理碳纤维/硅橡胶（CF/SR）复合材料的性能，FTIR谱图在1150-1200 cm^-1和670 cm^-1处出现了Si-O-C和Si-O-Si的新峰，证实了聚硅氧烷涂层已共价键合到纤维表面。其中，KH-550（氨基）处理的复合材料表现出最佳的力学性能，拉伸强度提高了32.0%。

等离子体处理：高效环保的物理改性

等离子体表面改性具有效率高、环保、且不损伤纤维本体力学性能的优点。低温等离子体中的活性粒子（离子、原子、自由基）轰击碳纤维表面，可产生物理刻蚀增加粗糙度，并引入如C-O-C、C=O等含氧活性官能团。例如，有研究提出的可能机理是，等离子体处理在样品边缘产生不稳定的悬空键，这些缺陷作为电荷陷阱吸引自由基。表面活性位点随后与O₂反应，将C-H键替换为C-O-C和C=O基团。经等离子体处理后，碳纤维表面的C-O-C和C=O含量显著增加。另一项研究通过优化的等离子体处理参数（720V电压下处理80秒），使碳纤维的接触角降低了51.33%，表明其表面润湿性得到极大改善。氩等离子体处理则能使CFRP复合材料的ILSS提高10.49%。

纳米颗粒掺入：迈向多功能高性能

将纳米颗粒作为填料掺入树脂或直接涂覆于碳纤维表面，是增强复合材料力学、热学和电学性能的有效策略。常用的纳米材料包括碳纳米管（CNT）、石墨烯、金属氧化物（如ZrO₂、Al₂O₃）和MXene等。例如，将氨基功能化的ZrO₂掺入碳纤维/环氧体系，可使ILSS提高41.3%。多壁碳纳米管（MWCNT）通过层层自组装技术接枝到碳纤维上，可使其环氧复合材料的拉伸强度提高20%。MXene（Ti₃C₂T_x）的引入则能构建三维骨架，防止分层，使复合材料的I型（G_IC）和II型（G_IIC）断裂韧性分别提升76%和32%。纳米氧化铝（Al₂O₃）颗粒的加入，通过其氧原子与环氧聚合物链之间形成氢键，显著提升了复合材料的拉伸强度和硬度。研究显示，添加0.3 wt%的单壁碳纳米管（SWCNT）可使复合材料拉伸强度提高8.6%。而0.6 wt%的石墨烯则能使CFRP复合材料的拉伸和弯曲强度分别提升53.35%和8.04%。

3AlC₂和 MXene (Ti₃C₂Tx)的XRD图，(b) Ti₃C₂Tx的FTIR光谱，(c) Ti₃AlC₂及 (d–f) 蚀刻后的多层Ti₃C₂Tx的SEM图像。(g) Al₂O₃纳米填料与环氧树脂链的示意图，(h) CNT复合材料的拉伸强度。">

其他新兴方法：拓展界面工程边界

聚多巴胺（PDA）涂层作为一种仿生修饰方法，通过多巴胺的氧化自聚合在碳纤维表面形成富含氨基、羟基等官能团的强粘附涂层。优化条件下，PDA改性可使碳纤维/环氧树脂的IFSS提升52.6%。金属有机框架（MOF）也被用于功能化碳纤维，例如MOF-5接枝的碳纤维复合材料，其拉伸和弯曲强度分别大幅提升了177.9%和81.3%。此外，碳量子点（CQD）的引入甚至赋予了复合材料界面损伤自修复的潜力。一些新颖的界面工程策略，如生物分子（DNA）-CNT复合物涂层、磁性纳米Fe₃O₄的原位生长等，也展现出在提升界面粘附和赋予复合材料新功能方面的巨大潜力。

性能提升与潜在应用

表面功能化通过上述机制，显著提升了CFRP复合材料的力学性能（如ILSS、IFSS、拉伸/弯曲强度）及导热、导电等特性，使其在航空航天、汽车制造、轻量化工程结构、能源存储（如纤维超级电容器）和电磁屏蔽等领域具有广阔应用前景。工业界更关注电化学氧化、等离子体处理和上浆改性等成本可控、易于规模化的技术。

根本挑战与未来展望

尽管已取得显著进展，但碳纤维表面改性仍面临诸多挑战：如何在充分活化表面的同时保持纤维本体强度；如何实现大规模生产中表面化学的均匀性和一致性；以及如何处理强酸、有害物质带来的环境问题。未来研究应聚焦于开发更环保的工艺（如H₂O₂催化氧化、水性接枝）、探索生物基偶联剂、以及结合多种技术的混合改性策略以获得协同效应。此外，人工智能（AI）和机器学习在预测界面性能、优化处理参数和辅助复合材料设计方面展现出巨大潜力。同时，复合材料的可回收性也是实现其全生命周期可持续发展必须攻克的关键难题。通过跨学科合作，整合化学、工艺工程、AI和先进分析工具，有望推动下一代高性能、高可靠、可持续的碳纤维复合材料的发展。