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  英國(guó)曼徹斯特大學(xué)陳曉鋼博士和劉旭慶博士以 “π - π interaction between carbon fibre and epoxy resin for interface improvement in composites” 為題在復(fù)合材料國(guó)際頂尖期刊 Composites Part B 上發(fā)表氧化石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料界面的研究論文。研究團(tuán)隊(duì)提出一種界面增強(qiáng)π修飾的策略，利用二維材料和纖維間的π – π堆積來(lái)無(wú)損修飾碳纖維表面，從而增強(qiáng)碳纖維和環(huán)氧樹脂間的結(jié)合力。

圖1. GO-PDA 修飾碳纖維表面以增強(qiáng)纖維/樹脂界面抗剪強(qiáng)度。

  近年來(lái)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料被廣泛的應(yīng)用在航空航天，國(guó)防工業(yè)和汽車等領(lǐng)域中。但是由于碳纖維表面的化學(xué)惰性，導(dǎo)致碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損傷常發(fā)生于纖維與樹脂結(jié)合和的界面上。因此，碳纖維表面處理和增強(qiáng)碳纖維與樹脂的界面性能是非常重要的。盡管已開發(fā)出一些物理和化學(xué)的方法來(lái)增加碳纖維表面的粗糙度以及化學(xué)活性，但是這些方法仍然工藝復(fù)雜并且會(huì)損傷纖維原本結(jié)構(gòu)和性能。

  針對(duì)這一問(wèn)題，曼徹斯特大學(xué)陳曉剛和劉旭慶首次提出了利用氧化石墨烯和纖維間的π – π相互作用來(lái)修飾碳纖維表面的解決方案 （圖1）。氧化石墨烯作為二維材料不僅具有超高的比表面積，出色的力學(xué)性能，并且比石墨烯更加具有化學(xué)活性。柔軟的二維材料更加容易包裹曲面的纖維結(jié)構(gòu)。聚多巴胺是一種生物啟發(fā)的聚合物，來(lái)源于貽貝中的蛋白質(zhì)。這種聚合物可以在溫和的溫度和pH條件下與纖維表面結(jié)合并且引入官能團(tuán)。利用聚多巴胺作為連接氧化石墨烯和纖維的平臺(tái)，不僅成功的在纖維表面接枝氧化石墨烯，更加保護(hù)了纖維本身的力學(xué)性能。

圖2. (a)未處理的碳纖維, (b) PDA-碳纖維和 (c) GO-PDA-碳纖維的C1的高分辨率XPS光譜。(d)碳纖維表面和GO-PDA涂層間的π – π相互作用示意圖。

  氧化石墨烯與芳香族分子間強(qiáng)的π – π相互作用使得氧化石墨烯片穩(wěn)定的接枝在碳纖維表面 （圖2），通過(guò)GO-PDA 修飾碳纖維表面，單根纖維與環(huán)氧樹脂間的界面抗剪強(qiáng)度增加了約70%， 同時(shí)單根纖維的拉伸強(qiáng)度也增強(qiáng)了約80%。此方法首次運(yùn)用于復(fù)合材料領(lǐng)域，不僅增強(qiáng)了碳纖維與環(huán)氧樹脂間的界面性質(zhì)，也為其他高性能纖維的表面性能增強(qiáng)提供了新的思路，為高性能纖維在復(fù)合材料工業(yè)、國(guó)防及航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

  該論文第一作者為曼徹斯特大學(xué)曾蕾博士，曼徹斯特大學(xué)陳曉鋼博士和劉旭慶博士為共同通訊作者，英國(guó)皇家工程院院士Constantinos Soutis教授為共同作者。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108983