西南交通大学电气工程学院Jie Li等–氧化石墨烯与NH3等离子体处理碳纤维的静电自组装复合材料的界面增强

在碳纤维(CF)表面引入氧化石墨烯(GO)被认为是调节碳纤维增强聚合物复合材料中纤维/基体界面结构和性能的有效策略。然而，由于处理过程中的蚀刻效应，纤维的抗拉强度往往会降低。本研究提出了一种通过静电自组装将GO引入到纤维表面的新方法。结果表明:通过NH₃等离子体处理NH₂接枝CF，使CF和GO在去离子水中电荷相反；随后，它们在静电力的作用下自组装形成CF@GO。CF@GO的抗拉强度比原始CF高31.23%，这可能是因为不同尺寸的GO修复了CF及其多层修复结构的表面缺陷。由于氧化石墨烯涂层，CF的表面润湿性有了明显的改善。此外，界面性能显著提升，CF@GO的界面剪切强度(IFSS)提高到81.31 MPa，是未改性CF的2倍左右。这为纳米颗粒在CF上进行无损接枝，在CF复合材料中建立强界面提供了一种很有前景的策略。

图1. (a)等离子体处理系统示意图(b)GO和CF的静电自组装过程示意图。

图2. GO的表征:(a)GO的SEM图像。(b) GO的TEM图像。(c) GO的AFM图像。(d)GO的FTIR光谱。(e)石墨和GO的XRD测量光谱。

图3. 不同NH₃等离子体处理时间后CFs的表征:(a) FTIR光谱，(b) XPS光谱和(c) CF-0、CF-5、CF-10、CF15和CF-20的元素含量。(d) CF-0、CF-5、CF-10、CF-15、CF-20和GO的平均zeta电位。

图4. (a) GO， (b) CF-0， (C) CF-5， (d) CF-10， (e) CF-15和(f) CF-20的C 1s XPS谱。

图5. (a) CF-0和CF@GO，(b) CF@GO-0， (c) CF@GO-5， (d) CF@GO-10， (e) CF@GO-15和(f) CF@GO-20的SEM图像。

图6. (a) GO、CF、CF@GO的TG曲线。(b) EP树脂在CF和CF@GO上的接触角。(c)不同NH₃等离子体处理时间和CF@GO时CFs的拉伸强度。

图7. CF和GO的静电诱导自组装示意图。

图8. (a)CFRPs的IFSS和弯曲强度。(b) CFRPs的弯曲应力-应变曲线。

图9. 复合材料断口表面形貌:(a) CFRP/CF-0， (b) CFRP/CF@GO-0， (c) CFRP/CF@GO-5， (d) CFRP/CF@GO-10， (e) CFRP/CF@GO-15和(f) CFRP/CF@GO-20。

相关研究成果由西南交通大学电气工程学院Jie Li等人于2022年发表在Applied Surface Science (https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.152717)上。原文：Interfacial reinforcement of composites by the electrostatic self-assembly of graphene oxide and NH₃ plasma-treated carbon fiber。