Z. Liu, X. Fan, X. Lu, X. Shi, J. Zhang, H. Guo, M. He, J. Gu. Interface strengthening for carbon fiber-reinforced poly(ether-ether-ketone) laminated composites by introducing fluorene-containing branched poly(aryl-ether-ketone). Interdiscip. Mater. 2024; 3(6). doi: 10.1002/idm2.12200
摘 要
碳纤维（CF）增强热塑性复合材料具有优异的抗冲击性能、良好的耐湿热性能、超短的成型周期及可回收利用二次加工等诸多优点，是目前航空航天复合材料低成本化和高性能化的重要发展目标。与聚苯硫醚、聚酰亚胺和聚醚砜等常见热塑性聚合物基体相比，聚醚醚酮（PEEK）具有优异的耐热性能、耐疲劳、耐冲击、耐湿热、耐辐照以及良好阻燃性能等。CF/PEEK复合材料是一种极具潜力的高性能热塑性复合材料，在航空航天飞行器制造领域受到极大关注。
然而，CF表面惰性强，与PEEK基体间的界面粘接强度差。常见CF的表面改性方法主要包括等离子体处理、强氧化剂处理和化学接枝等。等离子体处理、强氧化剂处理方法通常会对CF本体结构产生较大程度破坏，导致其力学性能明显降低；化学接枝法改性通常需要先对CF进行预处理，其制备工艺较为复杂，适应面较窄、工业化前景不乐观。同时，用于化学接枝改性的聚合物基体的耐热性能通常较差，在CF/PEEK复合材料模压成型过程中易发生碳化分解，界面改性效果不佳。
因此，本研究以双酚芴（BFL）、二氟二苯甲酮（DFBP）和间苯三酚（PG）为原料，采用一锅法经无规共缩聚反应合成端基为羟基的含芴基支化聚芳醚酮（BFPAEK）。以聚醚醚酮（PEEK）为基体、BFPAEK表面功能化改性的碳纤维（CF@BFPAEK）为增强体，经“粉末浸渍-高温模压”制备CF@BFPAEK/PEEK层压复合材料。BFPAEK分子结构中的芴基和端羟基能够通过π-π共轭作用和氢键等次价键力增强其与CF间相互作用力；且BFPAEK与PEEK的分子结构相似度高，两者间溶度参数差异小、相容性较好，能够通过与PEEK间相互扩散形成具有稳定的界面层，改善PEEK基体与CF间的界面粘接强度，使CF/PEEK复合材料的力学性能明显增大。同时，BFPAEK具有优异的本体耐热性能，能满足CF/PEEK复合材料模压成型过程中加工温度要求。
图1 CF@BFPAEK/PEEK层压复合材料的制备示意图。
图2 基于纳米压痕法测试CF/PEEK微复合材料界面处的弹性模量（A）和硬度（B）；CF/PEEK（Sample 0）、CF/PEEK（Sample 1）、CF@BPAEK/PEEK（Sample 2）和CF@BFPAEK/PEEK（Sample 3）微复合材料的横向拉伸强度（C）；CF/PEEK微复合材料界面处SEM照片及纳米压痕选点分布（D）；CF/PEEK和CF@BFPAEK微复合材料界面处TEM照片（E）；CF/PEEK微复合材料经横向拉伸实验后断口处的SEM照片（F）；CF@BFPAEK/PEEK微复合材料界面强化示意图（G）。
图3 CF/PEEK（Sample 0）、CF/PEEK（Sample 1）、CF@BPAEK/PEEK（Sample 2）和CF@BFPAEK/PEEK（Sample 3）复合材料在室温稳态（A）、湿热老化后（B）和高低温循环后（C）的层间剪切强度（ILSS）和弯曲强度；CF/PEEK复合材料的热导率（D）、热失重曲线（E-F）、动态热机械曲线（G）和平板加热模式下复合材料样品的表面温升曲线及红外热成像图(H-I)。
顾军渭
西北工业大学化学与化工学院院长，教授，博导，国家级领军人才，陕西省杰出青年科学基金获得者，“导热高分子复合材料”陕西省科技创新团队带头人。当选英国皇家化学会会士，英国皇家航空学会会士，英国材料、矿物与矿业学会会士。连续入选科睿唯安全球“高被引科学家”、爱思唯尔“中国高被引学者”。现任中国复合材料学会副秘书长/理事、中国复合材料学会导热复合材料专业委员会常务副主任、陕西省高分子科学与技术重点实验室副主任。主要从事功能高分子复合材料和纤维增强先进树脂基复合材料的设计制备及成型加工研究。以第一/第二完成人获陕西省自然科学奖二等奖、教育部技术发明奖二等奖等省部级科研奖励4项。获国际聚合物加工学会Morand Lambla Award（莫然达-拉姆伯拉成就奖，每届全球1名）、中国复合材料学会青年科学家奖、中国化学会高分子创新论文奖（2次）、高分子成型加工及其产业发展“新锐创新奖”等。主持国家自然科学基金联合基金重点项目等省部级及以上项目30余项。以第一/通讯作者在Angew. Chem.-Int. Edit.、Adv. Mater. 和Macromolecules 等期刊发表学术论文180余篇。主/参编英文专著4部，授权国家发明专利34件。任Compos. Sci. Technol.、Nano-Micro Lett.、中国塑料等多个期刊副主编、编委。
史学涛
西北工业大学化学与化工学院教授，博导，高分子科学研究中心主任。主要从事高分子复合材料的结构设计和成型加工以及碳纤维/聚合物复合材料制备等研究工作。主持国家自然科学基金面上项目、陕西省重点研发国际科技合作计划项目、航天科学技术基金等多项省部级及以上项目。以第一/通讯作者在Addit. Manuf.、Compos. Sci. Technol. 和Biomacromolecules 等期刊发表SCI论文50余篇，8篇论文入选ESI高被引论文。
刘 政
西北工业大学化学与化工学院博士研究生，主要从事先进纤维增强树脂复合材料的设计制备。获2023年第三届两岸复合材料创新创业大赛一等奖、2022年度中国复合材料学会优秀硕士论文、2021年第二届全国高分子材料创新创业大赛铜奖。主持西北工业大学博士论文创新基金重点项目1项。在Compos. Sci. Technol.、Adv. Fiber Mater. 和J. Mater. Sci. Technol. 等期刊上以第一/共同第一作者发表SCI论文9篇；参编英文专著1部；申请、授权国家发明专利3项。
Interdisciplinary Materials（交叉学科材料）是由Wiley出版集团与武汉理工大学联合创办的开放获取式高水平学术期刊。主编为张清杰院士和傅正义院士。30位国际杰出学者和45位两院院士作为期刊的编辑委员会委员。Interdisciplinary Materials 是国际上聚焦材料与其它学科交叉前沿发起出版的首本“交叉学科材料”领域高水平期刊，旨在发表材料学科与物理、化学、数学、力学、生物、能源、环境、信息等学科交叉研究的最新成果。
· 2022年1月首发，前三年完全免费发表
· 2022年6月被DOAJ数据库收录
· 2022年9月入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”
· 2023年7月被Ei Compendex数据库收录
· 2023年11月被ESCI数据库收录
· 影响因子：24.5
https://onlinelibrary.wiley.com/journal/2767441X
http://sklwut.whut.edu.cn/im/wz/
https://mc.manuscriptcentral.com/intermat
im@whut.edu.cn
2767-441X (online)；2767-4401 (print)
CN 42–1945/TB
