導讀：具有更高強度和韌性的碳纖維增強聚合物（CFRP）是汽車、航空和航天等快速發展的工業部門發展中必不可少的材料。本文通過溫和而簡單的自組裝策略設計了一種新穎的“軟剛性”界面層，以實現強度和韌性的同步提高。通過靜電相互作用，將帶正電荷的聚乙烯亞胺（PEI）和由金屬有機框架（UIO-66）和氧化石墨烯（GO）組成的帶負電荷的納米配合物組裝在碳纖維（CF）上。結果表明，纖維表面改性顯著提高了纖維表面的粗糙度和潤濕性，與采用原始CF作為增強材料的復合材料相比，具有“軟剛性”界面相的復合材料的界面剪切強度（IFSS）和層間剪切強度（ILSS）分別提高了42.12%和23.07%。此外，CFRP經處理后的脫粘和斷裂表面表現出改善的界面性能。此外，復合材料的沖擊韌性從60.24 kJ/m提高到60.24 kJ/m2至 89.38 kJ/m2。

在倡導低碳、節能減排的背景下，碳纖維增強聚合物（CFRP）因其高強度/重量比的優勢而在許多領域（特別是在新能源汽車中）得到應用。然而，由于碳纖維（CFs）的非極性和化學惰性表面，CFRP的界面失效情況經常發生。因此，CFs的表面需要改性，以提高CFRPs的強度和韌性。為避免這個問題，科學家們已經做出了許多努力，例如在CF上應用酸氧化、化學移植、高能輻射或等離子體處理。這些策略都提高了復合材料的界面強度。然而，通常情況下CFs和樹脂之間的強界面可能會加劇相鄰纖維的應力集中，從而促進早期脆性破壞并降低CFRPs的韌性。

通過將納米材料與低剛度材料相結合來構建界面，有望成為提高材料韌性和強度的策略。對于CFRPs，具有反應性官能團的柔性聚合物可用作低剛性組分。已經存在由氫氧化鎳（Ni（OH））形成的界面層和聚乙烯亞胺（PEI），GO和超支化聚甘油（HPG），PEI和納米二氧化硅（SiO2)。聚醚胺（PEA）/GO的界面層也被采用，其中構造（PEA/GO）9 逐層自組裝提高了界面剪切強度（IFSS）和界面韌性（G集成電路）分別增長了67.7%和129%。這些改進歸功于更好的相容性、機械聯鎖、強大的化學鍵和納米顆粒增強。但對界面相互作用的部分解釋，特別是對機械聯鎖的解釋，及其對CFRPs界面性能的影響尚不清楚，缺乏直觀的實驗證據。在此基礎上，構建了一種由反應性柔性聚合物和納米材料形成的新型可控間相。

對于納米材料MOF因其優異的耐熱性、可控的尺寸和豐富的反應位點而被選中。然而MOFs對水敏感，長時間暴露于潮濕空氣后表面積會急劇減少。為了提高MOF的穩定性，氧化石墨烯（GO）通常被用作MOF的載體。本文合成了MOF/GO納米配合物作為“軟剛性”界面結構的剛性組分。

基于此，上述復雜間期界面相互作用的解釋并不明顯，缺乏直觀的實驗證據。本文通過靜電自組裝構建了由PEI和MOF/GO組成的新型“軟剛性”界面層結構。柔性PEI作為“軟”組件組裝在CF表面上，然后是剛性MOF / GO。為了了解這種新型“軟剛性”間期的界面相互作用及其影響，研究了PEI或MOF修飾的CF，并與“軟剛性”間相進行了比較。采用接觸角、SEM、AFM等對界面結構進行表征，了解界面交互作用。結果表明，CF-PEI-MG/EP的界面強度和韌性均顯著高于用PEI或MOF改性改性CF增強復合材料。純PEI或MOF改性復合材料中除了具有更好的相容性、較強的化學鍵、增加的機械聯鎖和納米顆粒增強等界面相互作用外，CF-PEI-MG/EP的界面相互作用還包括多方裂紋偏轉和納米偶聯相互作用。值得注意的是，“納米耦合”對于提高界面性能至關重要，這在其他研究中尚未發現。對于納米偶聯相互作用，MOF/GO通過MOF/GO與PEI之間的靜電相互作用以及PEI與環氧樹脂之間的共價鍵固定在PEI和環氧基質之間形成強大的機械聯鎖。這種具有“納米偶聯劑”的新型“軟剛性”界面可用作通過結合納米材料和局部可變形材料（低剛度）來開發具有更高強度和韌性的復合材料的設計指南。

在本文綜述中，哈爾濱工業大學提出了通過靜電組件構建一種新的“軟剛性”界面層改善復合材料的界面強度和韌性的方法。通過靜電相互作用，將帶正電荷的聚乙烯亞胺（PEI）和由金屬有機框架（UIO-66）和氧化石墨烯（GO）組成的帶負電荷的納米配合物組裝在碳纖維（CF）上，結果表明纖維表面改性顯著提高了纖維表面的粗糙度和潤濕性。具有“軟剛性”界面相的復合材料的界面剪切強度（IFSS）和層間剪切強度（ILSS）分別提高了42.12%和23.07%。此外，CFRP經處理后的脫粘和斷裂表面表現出改善的界面性能。此外，復合材料的沖擊韌性從60.24 kJ/m提高到60.24 kJ/m2至 89.38 kJ/m2。本文以題“Improvement on strength and toughness for CFRPs by construction of novel ”soft-rigid“ interface layer”發表在Composites上。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836822002268

圖1.界面層的施工過程、“軟剛”結構示意圖及界面結構中的相互作用力

圖2.合成和模擬UIO-66，GO和UIO-66 / GO的X射線衍射圖

圖3.原始和改良CF的FT-IR光譜

圖 4.（a） 不同CF的寬掃描XPS光譜和（b）C1s和（c）N1s峰值的相應高分辨率XPS光譜

圖 5.（i） SEM 和 （ii） （a） CF、（b） CF-COOH、（c） CF-PEI、（d） CF-PEI-MG 的 AFM 圖像

圖 6.（a） 不同CF與測試液體之間的接觸角。（b） 不同CF束與水滴隨時間變化的接觸角

圖 7.（a） 威布爾分布擬合曲線及相關參數表，包括威布爾形狀參數（m）、尺度參數（δ0（b）商業尺寸CF和不同CF增強復合材料的IFSS，ILSS和彎曲強度。（c） CF-MOF的掃描電鏡圖像和相應復合材料的IFSS

圖 8.單纖維拔出試驗后不同CF/EP的脫粘表面形態：（a）CF，（b）CF-COOH，（c）CF-PEI，（d）CF-PEI-MG，（e）CF-MOF

圖 9. PEI-UIO-66/GO“軟剛性”中間階段的強化機制

圖 10.界面性能測試后復合材料的斷裂面：（a）CF，（b）CF-COOH，（c）CF-PEI，（d）CF-PEI-MG在（i）緯向和（ii）暴露的纖維

圖 11.不同CFRP的沖擊強度

圖 12.AFM力調制圖像和復合材料中相間的剖面分析，通過（a）CF，（b）CF-COOH，（c）CF-PEI和（d）CF-PEI-MG增強