通过基于多尺度表征的涂层方法提升CF/环氧复合材料的机械性能

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Enhancing the mechanical performance of CF/epoxy composites via a sizing method based on multiscale characterization

　　

摘要

碳纤维（CF）/环氧树脂复合材料在航空航天和汽车领域得到广泛应用，但由于碳纤维表面化学性质惰性且表面光滑，其界面粘附力仍然不足。为了解决这一问题，本研究提出了一种基于双酚A环氧树脂（E-51）的基体兼容性涂层策略，并可选择性添加多壁碳纳米管（CNTs）。该研究的创新之处在于将界面增强机制贯穿于多个尺度层面，从表面化学和界面结构到机械性能，从而为下一代涂层系统的设计提供了指导。研究人员制备了两种基于E-51的涂层剂，并将其应用于碳纤维材料。通过一系列综合表征技术评估了这些涂层剂的效果，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）定量分析、单纤维剥离试验、单纤维断裂测试以及层压板级力学测试。优化后的涂层配方含有0.3 wt%的E-51和1 wt%的CNTs，这些成分引入了反应性官能团（如环氧基团、C–O、O–C=O、–CH₂、C=O、C=C和苯环），同时增加了纳米级表面粗糙度，显著提升了界面粘附力。结果表明，与未涂层的复合材料相比，该复合材料的抗弯强度和层间剪切强度（ILSS）分别提高了48.4%和23.2%。本研究展示了一种有效且具有工业应用价值的碳纤维/环氧树脂界面增强方法，并为高性能复合材料中CNT改性涂层层的多尺度增强机制提供了新的见解。