《Advanced Composites and Hybrid Materials》：A molecular configuration-driven interfacial engineering strategy for constructing high-performance carbon fiber/epoxy composites
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针对碳纤维（CF）表面惰性导致界面粘接弱、层间剪切强度（ILSS）低的瓶颈，作者提出循环电极切换电化学处理（C-ESET）在210 s内将哌嗪（PIP）分子可控接枝至CF表面，使ILSS提升86.7%至127.89 MPa，并揭示线性、杂环与芳香二胺的构型-性能关系，为环氧基CFRP的分子级界面设计提供新范式。
碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）以轻质、高比强度/模量及优异耐热耐化性，成为航空航天、新能源汽车等领域的“结构明星”。然而，高温碳化赋予碳纤维（CF）表面石墨层紊乱、能级低且光滑如镜，导致与环氧树脂（EP）浸润性差、界面仅范德华力维系，应力传递效率不足，层间剪切强度（ILSS）长期徘徊在70 MPa左右，成为限制CFRP迈向更高减重与安全系数的“卡脖子”环节。传统氧化-上浆工艺只能提供有限极性基团；后续化学接枝虽可引入共价键，却受限于反应时间长达数小时、步骤繁琐且有机溶剂消耗大，更关键的是——研究者一直关注“接了多少”，却忽视“分子长什么样”。不同构型的二胺分子在界面会以何种姿态与EP发生交联？构型差异如何影响力学输出？这些空白让“分子级界面设计”始终停留在概念阶段。
为回答上述问题，Changyu Leng团队在《Advanced Composites and Hybrid Materials》2025年第8卷报道了一种“循环电极切换电化学处理”（C-ESET）策略：在210 s内将杂环哌嗪（PIP）精准接枝至CF表面，系统比较线性脂肪族1,4-丁二胺（BDA）与芳香族对苯二胺（PDA）的构型效应，结合DFT与分子动力学（MD）模拟，首次阐明“分子构型-交联网络-宏观性能”链条，为构筑刚性-柔性可调界面提供可编程范式。
研究采用的关键技术包括：
C-ESET电化学平台（自研电解池，石墨对电极，可编程DC电源）
XPS深度刻蚀+拉曼面扫+SEM/EDS表征表面化学与缺陷分布
微滴脱粘测试（microdroplet debonding）测界面剪切强度（IFSS）
短梁剪切（ILSS）+单丝拉伸+Weibull统计评估宏观力学性能
AFM模量成像定量界面厚度与模量梯度
DFT计算吸附能与反应自由能
非平衡MD拉伸模拟不同构型界面的应力-应变响应
结果1. C-ESET实现秒级高效接枝
对比传统阳极氧化（o-CF@PIP）与单次电极切换（s-CF@PIP），C-ESET通过5次“阳极18 s-阴极24 s”循环，让表面N含量达19.46 at%，O含量降至12.08 at%，PIP接枝量提升>2倍，处理时间缩短至210 s。FT-IR、XPS证实PIP以C–N共价键形式均匀锚定，刻蚀12 nm后N信号仍稳定，表明 grafting 层均匀且不过度刻蚀纤维本体。
结果2. 表面能跃升带来浸润质变
P-s-CF@PIP表面能由未处理CF的33.15 mN m增至51.23 mN m，极性分量贡献>70%；去离子水接触角由93.8°降至47.3°，二碘甲烷接触角由52.6°升至65.3°，表明极性基团富集、惰性降低，为EP浸润与后续化学键合奠定基础。
结果3. 单丝强度与Weibull模量同步提升
P-s-CF@PIP单丝拉伸强度达4.15 GPa，比未处理CF（2.82 GPa）提高47.16%；Weibull模量由9.59增至11.97，表明C-ESET在引入活性基团同时修复表面微缺陷，降低强度离散性。
结果4. 界面剪切强度与破坏模式转变
微滴脱粘测试显示，P-s-CF@PIP/EP的IFSS达64.24 MPa，较未处理CF/EP（37.65 MPa）提升70.6%；SEM观察发现，未处理纤维表面几乎无树脂残留，而P-s-CF@PIP表面被EP紧密包裹，破坏模式由界面脱粘转变为树脂内聚破坏，证实共价交联网络形成。
结果5. 层间剪切与拉伸性能协同跃升
层压板ILSS测试表明，P-s-CF@PIP/EP的ILSS为127.89 MPa，提升86.7%；拉伸强度4.13 GPa、应变1.73%，分别提升67.2%与61.7%。AFM模量成像显示，其界面厚度由75.4 nm增至506.7 nm，且呈“双平台”梯度，有效缓解模量失配，抑制裂纹萌生。
结果6. 分子构型决定交联网络拓扑
在相同C-ESET条件下，线性BDA与芳香PDA的表面N含量分别为11.88 at%与10.47 at%，对应ILSS为110.13 MPa与103.16 MPa，均低于PIP体系。DFT计算表明，BDA吸附能最低（-4.73 eV），但柔性链需较大构象重排，交联密度低；PDA因刚性芳香环产生空间位阻，吸附能为-3.86 eV，且反应需精确取向，活化能高；PIP杂环可快速翻转，吸附能-4.27 eV，兼顾反应速率与网络密度。
结果7. MD模拟揭示构型-力学耦合机制
拉伸模拟显示，PDA交联角度集中在120°–140°，形成局部刚性网络，断裂应变仅15%；BDA角度分布宽（80°–150°），可耗散应力但模量下降30%；PIP角度介于110°–120°，环变形与链伸长协同，实现“刚性-柔性”平衡，界面剥离应力最高，验证实验趋势。
结论与讨论
该工作首次将“分子构型”变量系统引入CF/EP界面设计，通过C-ESET秒级接枝策略，实现PIP杂环分子在CF表面高密度、均匀共价键合，构筑出厚度>500 nm的梯度模量界面，使ILSS逼近130 MPa，单丝强度突破4 GPa，兼顾强度与韧性。DFT与MD共同揭示：杂环构型兼具反应活性与网络可调性，可同步优化键合强度与能量耗散，突破传统“刚性-脆性”或“柔性-松散”界面的二元对立。该研究不仅为环氧基CFRP提供普适、高效、绿色的界面工程范式，更为下一代航空主承力结构、深海装备与氢燃料压力容器的轻量化设计奠定“分子编程”理论基础。
