碳纤维复合材料（CFRP）由于轻质高强等优异的特性被广泛用于航空航天领域。随着高超音速航空航天结构件的快速发展，传统CFRP在高温下的服役可靠性需要进一步加强。界面作为CFRP中的重要组成部分，在高温环境下相较于耐高温的树脂基体更容易提前失效。且当前上浆剂的主体成分大多为改性环氧树脂，其在高温条件下易软化导致界面脱粘，引起CFRP结构件失稳。因此，构建新型耐高温界面相对于提高CFRP在高温环境下的服役可靠性至关重要。针对该问题，该团队在前期开展了新型耐高温界面相的构筑工作，通过引入了高耐温的酞菁结构构建了耐高温界面相，确认了界面相Tg与界面相耐温性能的关联性，实现了CFRP界面性能在180 ℃下高性能保持率（Compos. Sci. Technol. 2019, 173, 24-32. Chem. Eng. J., 2020, 388, 124255.）。通过设计合成了耐高温水性聚酰胺酸上浆剂，实现碳纤维/双马复合材料耐高温界面层的构建，探讨了280 ℃高温下碳纤维表面和复合材料界面的热氧老化规律（Polym. Degrad. Stab. 2022, 206, 110171.）。
近期，该团队在前期工作基础的指导下，以耐高温的胺基改性热塑聚醚酰亚胺（APEI，结构式如图1）作为“泥”组分，氧化石墨烯（GO）作为“砖”组分构建了一种新型的耐高温“砖泥”结构界面相（图2）。得益于APEI的活性胺基和优异的耐温性，显著提高了界面相的玻璃化转变温度（208 ℃）和活化能（542.3 kJ/mol），有效避免了界面相在高温下软化和降解。同时，GO的高强度和刚度弥补了纤维与树脂基体之间的巨大模量差异，弥补了复合材料界面区域的模量不匹配问题，实现了碳纤维复合材料界面力学性能在高温服役环境下的高保持率，大大提高了CFRP结构件在高温环境下的服役可靠性。
对CF/EP复合材料样品在不同温度（25 ℃，50 ℃，100 ℃，150 ℃，180 ℃）下进行IFSS和TFBT测试，结果表明：在25 ℃的测试条件下，APEI-GO@CF/EP复合材料的IFSS达到78.3 MPa，TFBT达到29.7 MPa，相较于DCF/EP提升了60.8 %和112.1 %。在180 ℃的测试条件下，APEI-GO@CF/EP复合材料的IFSS达到48 MPa，其性能保留率达到61.3 %（CCF/EP复合材料仅为38.3%）。TFBT达到22 MPa，其性能保留率达到74.1 %（CCF/EP复合材料仅为53.4%），表现出优异的高温界面性能。得益于特殊“砖泥”结构的阻隔效应，在经过70天的水热老化后，APEI-GO@CF/EP复合材料的ILSS性能保留率达到92.8 %，表现出优异的抗水热老化性能。
图3 CF/EP复合材料的（a）IFSS，（b）TFBT，（c）ILSS和（d）吸水率
图4 CF/EP复合材料的（a1-d1）声发射-应力应变曲线，（a2-d2）AFM模量图和（a3-d3）模量曲线分析
图5 （a）界面相的DSC曲线，（b）界面相的活化能和（c）界面相增强机理
以上研究成果以“Bio-inspired fabrication of "brick-and-mortar" interphase in carbon fiber/epoxy composites with significantly improved high-temperature durability” 为题，发表于Advanced Composites and Hybrid Materials（IF=20.1）上。北京化工大学博士研究生黎何丰为第一作者，北京化工大学贾晓龙教授与澳大利亚南昆士兰大学王浩教授为通讯作者。
该研究受到北京自然科学基金（No. 2242052, No. 2192044）、国家重点研发计划（No. 2019YFB1504800）、中央高校基本科研业务费（No. XK1802-2）、BUCT青年人才计划、2020-2023有机无机复合材料国家重点实验室开放课题（No. Oic-202001008, Oic-202101008, Oic-202201007, Oic-202301003）等项目资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1007/s42114-024-00876-9
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