贻贝启发的碳纤维表面修饰及其环氧树脂复合材料的性能研究.pdf

摘要

摘要

碳纤维因其具有高比强度、高比模量、耐化学腐蚀、耐高温等优点，广泛应用

于先进装备制造、新能源、航空航天和其他高科技产业。但碳纤维光滑、非极性表

面导致其与树脂结合较差，机械性能较低。因此，需要对碳纤维表面进行修饰处理，

以增强复合材料的界面性能。许多天然存在的物质因其具有优异的性能而不断吸引

着人们对其组成和结构进行探究。本论文受贻贝的启发，通过模拟贻贝珍珠层的结

构和贻贝粘蛋白的组成成分两个方面对碳纤维表面进行修饰，以增强碳纤维与树脂

间的界面结合。

贻贝珍珠层同时具有较高的强度和优良的断裂韧性，受贻贝珍珠层“砖-砂浆”

结构的启发，选用MnO2纳米片和天然多糖壳聚糖分别作为“硬”相和“软”相，

采用水热法和自组装法在碳纤维表面构建了“软-硬”结构，使碳纤维/环氧树脂复合

材料具有较强的界面相。该方法显著提高了碳纤维表面的粗糙度、极性官能团含量

和润湿性。此外，这种独特的“软-硬”结构还能充当缓冲区，达到改变裂纹扩展方

向和缓解应力集中的效果，进而提高复合材料的界面性能。弯曲强度及层间剪切强

度测试证明了这种“软-硬”结构具有增强作用，CF-MnO-CS/环氧树脂层间剪切强

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度及弯曲强度比原始复合材料分别增加47.4%及48.2%。这项工作为制备高性能碳纤

维复合材料提供了一种思路。

贻贝具有出色的粘附性，邻苯二酚基团是其具有粘附性的关键，受其组成成分

的启发，选用大豆分离蛋白、没食子酸和六水合氯化铁共沉积碳纤维。其中，大豆

分离蛋白提供氨基、没食子酸提供邻苯二酚基团，并在碳纤维的表面引入了大量的

活性官能团以活化纤维，改善了纤维表面的润湿性，且增强了纤维与树脂间的相互

作用，提高复合材料的界面性能。采用SEM、TGA、FTIR、XPS、动态接触角等测

试证明了大豆分离蛋白-没食子酸-六水合氯化铁聚合物涂层成功修饰到纤维表面。

修饰后纤维/环氧树脂复合材料的力学性能得到明显改善，层间剪切强度达到65.6

MPa，弯曲强度达到848MPa；比未处理的碳纤维复合材料分别提高了51.9%和

38.8%。

关键词：碳纤维贻贝界面性能复合材料

I

Abstract

Abstract

Carbonfiberiswidelyusedinadvancedequipmentmanufacturing,newenergy,

aerospaceandotherhigh-techindustriesbecauseofitshighspecificstrength,specific

modulus,chemicalcorrosionresistanceandhightemperatureresistance.However,the

smooth,non-polarsurfaceofcarbonfiberleadstopoorbondingwiththematrixandlow

mechanicalproperties.Therefore,surfacetreatmentofcarbonfiberisneededtoenhancethe

interfacialpropertiesofthecomposites.Manynaturallyoccurringsubstancesattractpeople

tostudytheircompositionandstructurebecauseoftheirexcellentproperties.Inspiredby

mussel,thesurfaceofcarbonfiberwasmodifiedbysimulatingthestructureofnacre