关于碳纤维内在微观结构与高强度、高模量、高韧性树脂基复合材料界面性能之间相关性的研究

《Composites Communications》：Study on the Correlation Between Carbon Fiber Intrinsic Microstructure and Interface Properties of High-Strength, High-Modulus, High-Toughness Resin Matrix Composites

碳纤维表面微观形貌、石墨化程度、结晶结构参数及表面能分析表明，高石墨化与低结晶层厚度可提升界面结合强度，表面能增加亦增强界面粘结效果，为优化高性能树脂基复合材料提供理论依据。

　　

刘汉松|常天宇|钟向宇|高爱军|张连旺|杨欣|冯晓伟|彭公秋|李卫东|韩晓|鲍建文

中国航空工业集团有限公司（AVIC）制造技术研究院复合材料技术中心，北京 101300

摘要

本研究探讨了通过控制碳纤维的微观结构制备得到的碳纤维的表面微观形态、表面石墨化程度、微晶结构参数以及表面能参数。同时分析了碳纤维的微观结构与其在高强度、高模量和高韧性树脂基复合材料中的界面性能之间的相关性。不同类型碳纤维的微观形态变化不大，而表面石墨化程度和微晶结构参数则因制备工艺的不同而存在显著差异。结果表明，具有较高石墨化值和较低微晶厚度的碳纤维/树脂样品表现出更强的界面结合强度。提高碳纤维的表面能也有助于增强碳纤维/树脂界面的结合强度。这为进一步优化与高强度、高模量和高韧性树脂相匹配的碳纤维制备工艺提供了指导。

引言

作为当前和未来应用中不可或缺的材料体系，聚合物基复合材料由于其轻质、高强度、抗疲劳性和良好的设计灵活性，在航空航天、汽车、海洋和医疗领域成为了理想的选择[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。在航空航天领域，为了进一步实现轻量化，对高强度、高模量和高韧性树脂及其复合材料有着明确的需求[6]、[7]、[8]。这能够在保持同等承载能力的同时显著减轻飞机结构重量[9]、[10]、[11]、[12]。这些新型的高强度、高模量和高韧性树脂及其复合材料为材料系统组件的设计带来了新的方法。通过引入这些树脂，可以定制复合材料的机械性能，从而提高复合材料的性能极限。

新组件的引入不可避免地会影响基体与增强体之间的界面结合[3]。然而，关于碳纤维（CFs）与高强度、高模量和高韧性树脂之间的界面问题，大多数研究都集中在优化碳纤维表面处理上。碳纤维表面改性的方法多种多样，包括典型的表面氧化[13]、[14]、[15]、表面化学涂层[16]、[17]、[18]、电化学接枝[20]，以及表面微/纳米级改性与增强[21]、[22]、[23]。Ge等人通过原位电聚合和原位生长在碳纤维表面构建了聚丙烯酸（PAA）/金属有机框架（UiO-66-NH₂）的软硬混合层，使复合材料的层间剪切强度（ILSS）提高了50.7%[22]。Sun等人采用原位生长转化方法在碳纤维表面形成垂直碳纳米片，使界面剪切强度（IFSS）提高了79.8%[23]。

这些探索为改善碳纤维/树脂界面提供了方向性指导，并具有重要的意义。然而，这种方法存在两个问题。首先，表面处理仅仅是碳纤维制备中的一个改性步骤，并没有解决关键的碳化过程的理论原理。仅关注表面处理的研究无法真正提升碳纤维生产的核心技术水平。它未能揭示内在微观结构变化（这些变化从根本上决定了碳纤维的性能）如何影响界面行为和复合材料性能的机制。其次，从实际应用的角度来看，大多数方法仅在实验室条件下可行，无法放大到工业生产中。因此，它们缺乏实际应用价值，无法转化为先进的生产力。基于此分析，专注于调节碳纤维内在微观结构（特别是其微晶结构，因为微晶结构不会因表面处理而发生显著变化）的研究工作至关重要，以便通过精确控制生产过程参数来实现碳纤维与高强度、高模量和高韧性树脂之间的界面匹配。目前，相关研究较少。Wang等人研究了碳纤维微观结构与密度之间的关系，建立了密度作为宏观控制参数与微观结构状态之间的对应关系[24]。这为实际生产中预氧化过程的实时监测和调节提供了科学依据。然而，该研究并未探讨碳纤维与树脂之间的界面结合特性。

在本研究中，通过控制碳纤维的微观结构制备了不同类型的碳纤维样品，并对其表面微观形态、石墨化程度、微晶结构参数和表面能进行了分析，全面评估了它们的表面和内在结构状态。利用高强度、高模量和高韧性树脂的特性，进一步研究了碳纤维与树脂之间的界面性能以及复合材料的机械性能。这项工作深入探讨了碳纤维的多维特性参数与复合材料界面性能和机械行为之间的关系，明确了相应的影响模式。这些发现对于指导碳纤维生产过程中工艺参数的优化和调节，以及进一步提高复合材料性能具有重要意义。

材料

材料

由北京化工大学制备的高强度中模量碳纤维（BUCT-CF1、BUCT-CF2、BUCT-CF3）具有表1所示的纤维性能，均符合T800级标准。碳纤维的制备工艺参数见表2。高强度、高模量、高韧性环氧树脂由中国科学院化学研究所提供。N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和乙二醇购自北京化工厂。

样品制备

碳纤维表面的微观形态

使用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）对碳纤维的表面微观形态进行了初步观察。SEM用于表征碳纤维的横截面微观形态。如图2所示，三种类型的碳纤维横截面均呈现相对均匀的圆形。AFM用于表征碳纤维的侧向微观形态。如图3所示，三种类型的碳纤维表面

结论

本研究分析了三种自制T800级碳纤维的表面微观形态、表面石墨化程度、微晶结构参数和表面能，全面评估了它们的基本表面性能和结构特性。同时研究了高强度、高模量、高韧性树脂的基本性能和加工特性，以及碳纤维与这些树脂之间的界面行为

作者贡献声明

刘汉松：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据可视化，资源获取，项目管理，方法论设计，实验研究，数据分析，概念化。鲍建文：监督，资源提供，项目管理，方法论设计，资金筹措。韩晓：监督，资源提供，实验研究，数据管理，概念化。李卫东：监督，方法论设计，实验研究，数据分析，概念化。常天宇：

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了AVICMTI复合材料技术中心树脂与预浸料部门研究团队的支持。