近日，中国科学院山西煤炭化学研究所杨禹研究员团队和张斌研究员团队在高界面性能彩色碳纤维的结构调控方向取得重要进展。研究成果以“Synergistic Inorganic-Organic Interfacial Modification for Colored and High-Performance Carbon Fiber/Polyamide Composites”为题发表于《Polymer Composites》期刊。
 

　　碳纤维增强聚酰胺复合材料（CFRPA复合材料）作为一种高分子材料在航空航天、体育工业中得到广泛应用。CFRPA复合材料具有低密度、高强度、高韧性等特点，备受人们的关注。然而，有限的颜色表现和惰性的表面特性是制约CFRPA复合材料应用的两个关键因素。
 

　　碳纤维表面惰性强、结晶度高，传统染色方法难以实现持久、鲜艳的着色。聚酰胺树脂的高加工粘度导致其难以在碳纤维表面铺展，易诱发空隙与干点，从而严重限制了界面结合性能。现有原子层沉积能制备金属氧化物着色膜，但其与PA基体相容性差。此外，该薄膜表面官能团种类单一（主要为少量羟基），且在复合材料高温制备过程中易发生羟基脱附，从而难以形成良好的界面结合。
 

　　为突破该瓶颈，该研究团队提出一种协同无机-有机界面改性策略，通过原子层沉积（ALD）在碳纤维表面引入无机TiO2薄膜，作为生色结构。通过表面改性，在无机TiO2薄膜表面引入有机PA层，以增强碳纤维与PA基体之间的界面相容性和结合力。PA-TiO2薄膜具有双重功能，既能实现明亮、持久的结构色，又能增强与PA基体间的界面性能。
 

　　无机的TiO2薄膜通过可见光干涉作用展现出均匀的结构色，而有机PA涂层对结构色的影响极小。PA-TiO2薄膜与PA6基体具有良好的相容性。此外，酰胺基团有助于与PA6基体形成化学键和氢键，进一步提升了界面性能。与TiO2薄膜改性碳纤维相比，PA-TiO2薄膜改性碳纤维具有优异的界面性能，其IFSS达到了50.14MPa，提高了23.62%。
 

　　这种方法为开发具有多色和优异界面性能碳纤维提供了一种有效的途径。而且从分子结构的角度阐明了碳纤维结构生色与界面增强的机理，为分子层面可控调控生色结构与界面增强结构提供了理论支撑和实践指导。