碳纤维增强复合材料 (CFRPs) 因其轻质、高强度和高模量等优点，在航空航天、汽车和体育等领域得到广泛应用。然而，CFRPs 的界面性能和断裂韧性仍然是制约其性能提升和应用范围的关键因素。为了提升碳纤维增强复合材料 (CFRPs) 的界面性能和断裂韧性，研究人员探索了多种方法。例如，添加纳米/微米填料（如二氧化硅纳米颗粒、纳米粘土、碳纳米管等）可以增强纤维-基体界面结合力，提高应力传递效率和断裂韧性；表面处理（如等离子体处理、化学功能化、涂层沉积等）可以改善碳纤维表面特性，增加界面结合面积；混合方法（结合填料添加和表面处理）可以获得更优的力学性能。然而，现有方法存在一些问题，例如成本高、工艺复杂、难以规模化等。
近日，《Composites Part A》期刊发表了一篇由爱尔兰都柏林大学机械与材料工程学院的研究团队完成的，有关碳纤维增强热塑性复合材料的界面性能和断裂韧性的提升的研究成果。该研究通过探究聚多巴胺多壁碳纳米管（PDA-MWCNTs；polydopamine multi-walled carbon nanotubes） 表面处理和聚苯硫醚（PPS；polyphenylene sulfide）隔层对 CF Elium® 基复合材料性能和增韧机制的影响，发现混合增韧方法可以有效提升复合材料的断裂韧性，为开发高性能 CFRPs 提供了新的思路和方法。论文标题为“Enhancing interfacial performance and fracture toughness of carbon fibre reinforced thermoplastic composites”。
该研究选用了碳纤维、Elium® 树脂、BPO 固化剂、MWCNTs、PDA 和 PPS 隔层等多种材料。首先，研究采用 PDA-MWCNTs 浸润法对碳纤维表面进行处理，通过将 MWCNTs 进行酸处理并引入 PDA，使其附着在纤维表面，从而改善纤维与树脂基体之间的界面结合力。
图1 DCB复合层压板层堆叠示意图，（a）参考和（b）PDA MWCNT（c）PPS（d）PPS+PDA MWCNT。
图2 DCB复合层压板层堆叠示意图，（a）参考和（b）PDA MWCNT（c）PPS（d）PPS+PDA MWCNT。
采用冷真空辅助树脂灌注法制备了 CF Elium® 复合材料，并严格控制纤维的体积分数约为 68%。最后，该研究利用 FTIR、XPS、SEM 等技术对碳纤维表面和复合材料进行了表征分析，旨在探究 PDA-MWCNTs 表面处理和 PPS 隔层对复合材料性能的影响。
SEM 图像显示，经过 PDA-MWCNTs 处理的碳纤维表面粗糙度有所增加，表明 PDA 和 MWCNTs 成功附着于纤维表面。FTIR 和 XPS 分析结果进一步证实了 PDA 和 MWCNTs 的存在，并揭示了其与 Elium® 树脂之间的相互作用。
图3 光学显微照片显示了未经处理的碳纤维Elium复合材料的典型孔隙含量。
与未处理的碳纤维 Elium® 复合材料相比，经过 PDA-MWCNTs 处理的复合材料的弯曲强度和模量分别提高了 7.0% 和 9.0%，层间剪切强度提高了 12.0%。PPS 隔层对弯曲强度影响不大，但对模量有显著提升。
图4 （a） 弯曲性能（b）参考、PDA MWCNT处理、PPS交织和PPS+PDA MWCNT杂化复合材料的层间剪切强度值。
混合增韧方法（PDA-MWCNTs + PPS）进一步提升了复合材料的弯曲强度和模量，分别提高了 11.0% 和 23.0%。PDA-MWCNTs 处理后的复合材料的 Mode I 断裂韧性提高了 70.5%，而 PPS 隔层则提升了 189.7%。
图5 （a）参考和（b）PDA MWCNT处理复合材料的纤维基体界面裂纹扩展示意图
混合增韧方法（PDA-MWCNTs + PPS）使 Mode I 断裂韧性提高了 218.2%，表现出最佳的增韧效果。SEM 图像显示，混合增韧方法有效改善了纤维-基体界面结合力，并促进了纤维桥接，从而显著提高了复合材料的断裂韧性。
图6 DCB样品的裂纹开口区域（a）参考（b）PDA MWCNT（c）PPS面纱（d）PPS+PDA MWCNT处理的复合材料。
该研究表明，PDA-MWCNTs 表面处理和 PPS 隔层混合增韧是一种有效提升 CF Elium® 基复合材料断裂韧性的方法。该研究为开发高性能 CFRPs 提供了新的思路和方法，具有重要的理论和实际意义。
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