碳纖維復(fù)合材料因具有輕量化、高強(qiáng)度、高模量和耐腐蝕等特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、風(fēng)電設(shè)備、新能源等前沿領(lǐng)域。界面作為纖維和樹脂間產(chǎn)生的新相，是二者性能傳遞的紐帶，可防止應(yīng)力集中，同時賦予復(fù)合材料優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度、耐沖擊性和耐熱性，研究復(fù)合材料界面問題具有重要意義。然而，碳纖維（CF）表面光滑，呈化學(xué)惰性、表面能低，使碳纖維復(fù)合材料受力時纖維易與基體分離，表現(xiàn)出較差的界面性能。因此，如何提高碳纖維與樹脂的粘接性能成為研究熱點(diǎn)。
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為解決上述問題，人們圍繞界面增強(qiáng)機(jī)理、改性手段、生產(chǎn)工藝等對碳纖維及其表面進(jìn)行了大量研究。目前，常見界面改性方法包括：氣相氧化、液相氧化、偶聯(lián)劑、上漿/涂層、等離子體處理、原位自組裝、能量處理、化學(xué)接枝等。其中，上漿劑改性可在不損害纖維單絲拉伸強(qiáng)度的情況下，提高界面相容性，提升復(fù)合材料界面粘接性能。早在1993年，Harris就已經(jīng)開始嘗試分析上漿劑對碳纖維表面的影響。
根據(jù)樹脂基的分散狀態(tài)，上漿劑可分為溶液型、乳液型和水溶性。
在《化工與醫(yī)藥工程》中，王臣輝博士選取多種碳纖維增強(qiáng)樹脂體系，就近期國內(nèi)外碳纖維上漿劑對復(fù)合材料界面性能的影響研究進(jìn)展情況進(jìn)行總結(jié)。
在碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展過程中，環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、雙馬來酰胺樹脂等熱固性聚合物，聚酰胺樹脂、聚醚醚酮樹脂等熱塑性聚合物起到了重要作用，碳纖維為主要的承力結(jié)構(gòu)，界面直接進(jìn)行基體和增強(qiáng)體之間的荷載傳遞及分散，決定了復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度。
碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂體系
在該體系中，上漿劑的主要成分為與基體相似的環(huán)氧樹脂。Liu等選取聚乙二醇和馬來酸酐對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，制備出磺化水性環(huán)氧上漿劑，其中磺酸基團(tuán)有助于提高上漿劑的極性，環(huán)氧基團(tuán)增強(qiáng)了CF對基體的潤濕作用。上漿后，界面剪切強(qiáng)度（IFSS）增至59 MPa，與未上漿相比增加了20%。Wu等先用多巴胺修飾碳纖維表面，再與環(huán)氧樹脂結(jié)合，制備出復(fù)合涂層，其IFSS相較于改性前提高了32%。Yuan等研究了上漿劑的粒徑分布（PSD）對碳纖維界面粘接的影響。研究表明，隨著乳液粒徑的減小，O/C比和活性碳原子含量均增大,碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度（ILSS）提升，這主要是因?yàn)樾×接欣跐櫇窈徒缑嬲辰恿Φ膫鬟f，多峰PSD乳液能夠有針對性地填充到纖維表面的缺陷處，提高填充效率。
碳纖維增強(qiáng)乙烯基樹脂體系
該體系通常選擇含不飽和結(jié)構(gòu)的樹脂作為上漿劑。Liu等合成了一種丙烯酸酯類不飽和上漿劑（DMHM），使用該上漿劑的碳纖維/乙烯基樹脂復(fù)合材料，與未上漿相比，IFSS和ILSS分別提高了97%和66%。分子動力學(xué)模擬證實(shí)，強(qiáng)極性上漿劑分子與CF表面形成了較好的界面粘接，同時DMHM與乙烯基樹脂表現(xiàn)出較好的相容性，因此，DMHM上漿改性碳纖維/乙烯基樹脂IFSS高達(dá)62 MPa。物理互鎖和化學(xué)鍵共同作用，對提高復(fù)合材料界面性能效果顯著，Wang等將乙烯基聚倍半硅氧烷（乙烯基POSS）作為主成分上漿，在碳纖維表面形成三維籠狀結(jié)構(gòu)，樹脂進(jìn)入籠中后與乙烯基POSS形成物理交聯(lián)。乙烯基POSS含量為1.2%的碳纖維增強(qiáng)乙烯基樹脂復(fù)合材料IFSS達(dá)到了97 MPa，是未改性的兩倍。
碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（PEEK）體系
PEEK體系用上漿劑可以是PEEK基體本身。Yang等制備了一種PEEK可溶性前體，結(jié)晶后，在碳纖維表面形成覆蓋膜，所得復(fù)合材料的IFSS高達(dá)83 MPa。與PEEK相容性較好的聚酰亞胺（PI）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚醚酮酮（PEKK）等也可作為上漿劑。Hassan等向碳纖維表面引入PEKK界面層，通過PEKK與活性碳纖維形成氫鍵，以及PEKK和PEEK之間良好的相容性，改善復(fù)合材料的界面性能，改性后其ILSS提高了70%。
其他
針對聚酰亞胺基、聚酯基、聚醚砜基等樹脂基復(fù)合材料，有許多相應(yīng)的上漿劑被報道。Lu等通過原位聚合法得到超支化聚酯（HBPE）并將其覆蓋在碳纖維表面，HBPE上漿后的碳纖維/聚酰胺復(fù)合材料ILSS為78 MPa，與未上漿相比提高了46%。Yuan等制備了一種聚酰胺酸納米有機(jī)乳液上漿劑，上漿改性后的碳纖維/聚醚砜復(fù)合材料IFSS從34 MPa上升至50 MPa。
來源：
王臣輝.碳纖維上漿劑對復(fù)合材料界面性能的影響研究進(jìn)展[J].化工與醫(yī)藥程, 2023, 44(02): 1-7.
