研究意义：

该工作为推进先进高温CF复合材料的发展提供了1条有前途的途径。研究成果为开发用于高温领域的高性能CF复合材料奠定了理论基础。

研究背景：

1、碳纤维增强聚合物复合材料因其出色的机械性能、化学稳定性和轻量化而在航空航天、汽车制造、风力发电、化工和海洋工程等多个领域受到广泛青睐。

2、CF/环氧树脂复合材料通常需要在高温条件下保持结构完整性，CF复合材料的整体耐热性主要受界面层高温性能的制约。因此，获得具有耐高温性和高界面性能的CF/环氧复合材料一直是1个紧迫的研究方向。

3、在CF复合材料的界面区域设计具有中等模量的梯度界面相，以防止在高温下软化或降解势在必行。这对未来耐高温、高性能CF复合材料的开发和制造具有重要意义

研究思路：

在之前的工作中，作者团队报道了在CF表面应用梯度模量界面（PPENK-PEI）显著增强了复合材料的界面和力学性能。令人惊讶的是，在高温下，CF-PPENK复合材料的力学性能优于CF-PPENK复合材料，证实了中间相模量对CF复合材料高温热机械性能的影响起着至关重要的作用。因此，为了进一步提高CF复合材料的热阻，在CF表面引入了模量差异相对较小的纳米颗粒（GO@CNT）和聚合物聚苯醚丁腈酮（PPENK）。该过程涉及改变涂层顺序以创建“柔性-刚性”（PPENK-GO@CNTs）和“刚性-柔性”（GO@CNTs-PPENK）结构。GO和CNTs主要由具有sp的碳原子组成2-杂化轨道，形成高度稳定的C-C结构，从而产生优异的强度和刚度。此外，在高温下，具有协同增强作用（GO@CNTs）的刚性结构起到了锚栓的作用，显著增强了CF与环氧树脂之间的机械联锁性。然而，PPENK具有“扭曲的非共面”结构，与GO@CNTs相比具有较低的刚性和模量，这赋予了它刚性和柔韧性。因此，PPENK作为GO@CNTs刚性结构之间的纽带，有效地弥合了复合材料界面区域的模量差异。这是通过在界面区域构建具有中等模量的梯度模量界面层来实现的，这有助于在高温下将载荷从环氧树脂一致有效地传递到 CF 表面。

主要结论：

1、制备了两种具有多尺度协同增强的柔-刚性（PPENK-GO@NTs）和刚性-柔性（GO@CNTs-PPENK）结构，研究了中等模量梯度界面层对高温下CF复合材料力学特性的影响。在30 °C下，与未经处理的CF复合材料相比，CF-GO@CNTs-PPENK复合材料的力学性能（IFSS、ILSS、弯曲强度、弯曲模量和抗冲击性）分别提高了34.3%、15.7%、31.0%、25.5%和26.4%。在180 °C下，CF-GO@CNTs-PPENK复合材料的IFSS、ILSS、抗弯强度和弯曲模量分别比商业CF复合材料提高了173.0%、91.5%、225.7%和376.4%。这些结果表明，在高温条件下，具有协同增强的中等模量梯度梯度夹层有利于外部荷载从环氧树脂向CF表面的传递。

2、由于PPENK的刚性和模量低于CF和GO@CNTs，CF-PPENK-GO@CNTs复合材料的界面和力学特性均不如CF-GO@CNTs-PPENK复合材料，未能有效平衡和缓冲CF-环氧树脂之间的模量差异。

文章信息：

1、Peifeng Feng, Lichun Ma*, Mingguang Zhang, Yiling Quan, Mingzhuan Li, Xin Zhou, Xingyao Liu, Xigao Jian, and Jian Xu*. Constructing a Novel Moderately Modulus “Rigid-Flexible” Structure with Synergistic Reinforcement on the Carbon Fiber Surface to Enhance the Mechanical Properties of Carbon Fiber/Epoxy Composites at Elevated Temperatures[J].ACS Appl. Mater. Interfaces, Publication Date:April 18, 2024.

https://doi.org/10.1021/acsami.4c04051

2、作者团队来自青岛大学材料科学与工程学院高分子材料研究所、大连理工大学化工学院聚合物科学与材料系精细化工国家重点实验室，辽宁高性能聚合物工程研究中心、浙江省数据驱动高安全能源材料与应用重点实验室和中国科学院宁波材料技术与工程研究所特种能源材料与化学重点实验室。