大絲束碳纖維（通常指單束纖維數(shù)超過4.8萬根的碳纖維）憑借低成本、高產(chǎn)出優(yōu)勢，在風(fēng)電葉片、橋梁工程、汽車輕量化等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。然而，其表面惰性導(dǎo)致的界面結(jié)合弱問題長期制約性能發(fā)揮——傳統(tǒng)工藝下復(fù)合材料層間剪切強度（ILSS）普遍低于50MPa，難以滿足高端結(jié)構(gòu)件需求。近期，我國科研團(tuán)隊在界面改性領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，通過多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計、納米材料協(xié)同及綠色工藝創(chuàng)新，成功將ILSS提升至90MPa以上，為規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
界面性能優(yōu)化的核心挑戰(zhàn)與突破方向
大絲束碳纖維的界面問題源于其表面光滑、化學(xué)活性低，與樹脂基體間易形成弱邊界層。傳統(tǒng)氧化處理（如液相硝酸蝕刻）雖能引入含氧官能團(tuán)，但存在工藝污染大、纖維損傷風(fēng)險；等離子體處理雖環(huán)保，卻難以實現(xiàn)規(guī)?；鶆蚋男?。針對此，研究聚焦三大方向：
表面微納結(jié)構(gòu)構(gòu)建：通過等離子體噴涂或電化學(xué)氧化在纖維表面形成納米級粗糙結(jié)構(gòu)，增強機械互鎖效應(yīng)。
化學(xué)鍵合強化：引入活性基團(tuán)（如氨基、羧基）與樹脂形成共價鍵，提升界面結(jié)合能。
多功能上漿劑開發(fā)：設(shè)計兼容熱固性與熱塑性樹脂的上漿體系，實現(xiàn)工藝適配與性能協(xié)同。
創(chuàng)新表面改性技術(shù)：從微觀到納米的精準(zhǔn)調(diào)控
等離子體-納米材料復(fù)合處理
中國科學(xué)院團(tuán)隊開發(fā)出“等離子體預(yù)處理+石墨烯接枝”工藝：首先通過低溫等離子體在纖維表面刻蝕出微米級溝槽，隨后利用化學(xué)氣相沉積（CVD）在溝槽內(nèi)原位生長石墨烯納米片。這種結(jié)構(gòu)使纖維比表面積增加300%，同時石墨烯的π-π共軛作用與樹脂形成強界面相互作用。測試表明，改性后碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料ILSS達(dá)73.5MPa，較未處理樣品提升65%。
電化學(xué)氧化與分子接枝協(xié)同
東華大學(xué)研究團(tuán)隊采用電化學(xué)氧化法，在碳纖維表面引入大量羧基（-COOH）和羥基（-OH），隨后通過酯化反應(yīng)接枝聚醚胺（PEA）分子鏈。PEA的柔性鏈段可緩沖界面應(yīng)力，而末端氨基與環(huán)氧樹脂發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵合。該工藝使復(fù)合材料在150℃高溫下的ILSS保持率從35%提升至78%，顯著改善耐溫性能。
多功能上漿劑體系：綠色工藝與高性能的平衡
針對聚醚醚酮（PEEK）等高性能熱塑性樹脂，北京化工大學(xué)開發(fā)出水性聚醚酰亞胺（PEI）上漿劑：
分子設(shè)計：在PEI主鏈中引入磺酸基團(tuán)，通過氫鍵作用增強與碳纖維表面含氧官能團(tuán)的結(jié)合，同時磺酸基的強極性可提升與PEEK的相容性。
納米協(xié)同：添加2wt%羧基化多壁碳納米管（CNT-COOH），利用π-π堆疊作用在纖維表面形成納米網(wǎng)絡(luò)，既提高潤濕性又分散界面應(yīng)力。
該上漿劑使碳纖維/PEEK復(fù)合材料層間剪切強度達(dá)92.3MPa，且上漿率控制在1.5%以下，避免過度包覆導(dǎo)致的纖維分散性下降。
性能表征與機理驗證
力學(xué)性能跨越式提升
層間性能：石墨烯改性樣品在單纖維拔出試驗中界面剪切強度（IFSS）達(dá)80MPa，較傳統(tǒng)氧化處理提升70%。
耐溫性：PEI上漿劑體系在200℃熱老化100小時后，ILSS僅下降8%，遠(yuǎn)優(yōu)于商業(yè)環(huán)氧上漿劑（下降35%）。
動態(tài)載荷：采用電化學(xué)-PEA接枝工藝的復(fù)合材料，在疲勞測試（10?次循環(huán)，應(yīng)力幅值50MPa）后未出現(xiàn)分層，而未改性樣品在10?次循環(huán)后即失效。
微觀機制解析
界面相結(jié)構(gòu)：透射電鏡（TEM）顯示，改性后纖維與樹脂間形成約200nm厚的過渡層，其中石墨烯片層與PEA分子鏈形成“剛?cè)岵?rdquo;結(jié)構(gòu)，既保證載荷傳遞又緩沖應(yīng)力集中。
裂紋擴展抑制：納米壓痕試驗表明，納米材料改性使界面斷裂韌性和樹脂斷裂，裂紋擴展需克服更多能量壁壘。
產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)
目前，相關(guān)技術(shù)已在中石化上海石化、吉林化纖等企業(yè)的產(chǎn)線中試成功：
工藝適配性：等離子體-石墨烯接枝工藝可集成至現(xiàn)有碳纖維生產(chǎn)線，處理速度達(dá)15m/min，滿足萬噸級產(chǎn)能需求。
成本控制：水性PEI上漿劑成本較傳統(tǒng)溶劑型降低40%，且無需后續(xù)洗滌工序，綜合成本優(yōu)勢顯著。
標(biāo)準(zhǔn)制定：行業(yè)正推動《大絲束碳纖維界面性能評價方法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)編制，涵蓋ILSS、IFSS、耐濕熱性等核心指標(biāo)。
結(jié)論與展望
通過表面微納結(jié)構(gòu)構(gòu)建、化學(xué)鍵合強化及綠色上漿劑開發(fā)，我國在大絲束碳纖維界面性能優(yōu)化領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵突破，部分指標(biāo)達(dá)國際領(lǐng)先水平。未來需進(jìn)一步探索：
規(guī)?；に嚪€(wěn)定性：優(yōu)化等離子體設(shè)備參數(shù)，解決大批量處理時的均勻性問題。
多材料兼容性：開發(fā)適用于不同樹脂體系（如雙馬樹脂、苯并噁嗪）的通用型上漿劑。
智能界面設(shè)計：引入4D打印技術(shù)，實現(xiàn)界面性能隨服役環(huán)境動態(tài)調(diào)整。
這些進(jìn)展將推動大絲束碳纖維在航空航天、新能源裝備等高端領(lǐng)域的應(yīng)用，助力“雙碳”目標(biāo)下材料輕量化革命。
