【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院山西煤炭化學研究所楊禹研究員團隊和張斌研究員團隊在高界面性能彩色碳纖維的結構調控方向取得重要進展。研究成果以“Synergistic Inorganic-Organic Interfacial Modification for Colored and High-Performance Carbon Fiber/Polyamide Composites”為題發表于《Polymer Composites》期刊。
碳纖維增強聚酰胺復合材料(CFRPA復合材料)作為一種高分子材料在航空航天、體育工業中得到廣泛應用。CFRPA復合材料具有低密度、高強度、高韌性等特點，備受人們的關注。然而，有限的顏色表現和惰性的表面特性是制約CFRPA復合材料應用的兩個關鍵因素。
碳纖維表面惰性強、結晶度高，傳統染色方法難以實現持久、鮮艷的著色。聚酰胺樹脂的高加工粘度導致其難以在碳纖維表面鋪展，易誘發空隙與干點，從而嚴重限制了界面結合性能。現有原子層沉積能制備金屬氧化物著色膜，但其與PA基體相容性差。此外，該薄膜表面官能團種類單一(主要為少量羥基)，且在復合材料高溫制備過程中易發生羥基脫附，從而難以形成良好的界面結合。
為突破該瓶頸，該研究團隊提出一種協同無機-有機界面改性策略，通過原子層沉積(ALD)在碳纖維表面引入無機TiO2薄膜，作為生色結構。通過表面改性，在無機TiO2薄膜表面引入有機PA層，以增強碳纖維與PA基體之間的界面相容性和結合力。PA-TiO2薄膜具有雙重功能，既能實現明亮、持久的結構色，又能增強與PA基體間的界面性能。
無機的TiO2薄膜通過可見光干涉作用展現出均勻的結構色，而有機PA涂層對結構色的影響極小。PA-TiO2薄膜與PA6基體具有良好的相容性。此外，酰胺基團有助于與PA6基體形成化學鍵和氫鍵，進一步提升了界面性能。與TiO2薄膜改性碳纖維相比，PA-TiO2薄膜改性碳纖維具有優異的界面性能，其IFSS達到了50.14MPa，提高了23.62%。
這種方法為開發具有多色和優異界面性能碳纖維提供了一種有效的途徑。而且從分子結構的角度闡明了碳纖維結構生色與界面增強的機理，為分子層面可控調控生色結構與界面增強結構提供了理論支撐和實踐指導。
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