深圳大學(xué)劉會(huì)超/朱才鎮(zhèn)/徐堅(jiān)團(tuán)隊(duì)針對(duì)CF/PEEK復(fù)合材料的界面模量失配問(wèn)題，提出了一種新的界面調(diào)控策略，通過(guò)在碳纖維表面構(gòu)筑梯度模量界面層，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料面內(nèi)力學(xué)性能與抗沖擊性能的同步提升。相關(guān)成果以“Simultaneous improvement in-plane mechanical performance and impact resistance of CF/PEEK composites via constructing a gradient modulus interphase”為題發(fā)表于國(guó)際知名期刊Chemical Engineering Journal上。論文第一作者為深圳大學(xué)碩士研究生崔金澤（現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)所在讀博士生），共同第一作者為深圳大學(xué)碩士研究生駱宇泰。深圳大學(xué)為本文第一通訊單位，劉會(huì)超助理教授為本文通訊作者。
研究團(tuán)隊(duì)利用前期工作中合成的耐高溫、易浸漬、且具有優(yōu)異相容性的PEEK衍生物（PFEEKs）作為CF/PEEK復(fù)合材料的界面粘結(jié)劑（Huichao Liu* et al. Composite Structures 2025, 362, 119107.），通過(guò)超薄展纖技術(shù)將12K碳纖維絲束展寬展薄，制備了幅寬為15 mm，厚度可低至30 μm的超薄熱塑性碳纖維帶（相關(guān)工作見(jiàn)Huichao Liu* et al. Composites Part B 2024, 284, 111718；Huichao Liu* et al. Polymer Composites 2025, 46, 13073），并采用連續(xù)化改性工藝，在碳纖維帶中引入不同含量的羧基化碳納米管（CNTs），成功在碳纖維表面構(gòu)建了微觀(guān)尺度下的梯度模量過(guò)渡層，并進(jìn)一步通過(guò)超薄碳纖維帶與PEEK薄膜的鋪層結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，制備了同時(shí)具有高面內(nèi)力學(xué)性能與高抗沖擊性能的CF/PEEK復(fù)合材料（見(jiàn)圖1）。
圖1 CF/PEEK復(fù)合材料梯度模量界面層構(gòu)筑示意圖
面內(nèi)力學(xué)性能的顯著提升直觀(guān)驗(yàn)證了梯度模量界面層的增強(qiáng)效果：圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化后的CF/PEEK-1.2復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到1073.0 MPa，彎曲模量達(dá)到67.1 GPa，較未改性組分別大幅提升了52.6%和87.4%。該研究所取得的層間剪切強(qiáng)度（ILSS：109.9 MPa）與彎曲強(qiáng)度均優(yōu)于目前文獻(xiàn)報(bào)道的絕大多數(shù)同類(lèi)研究成果。
圖2 本工作CF/PEEK復(fù)合材料的彎曲性能和ILSS與已發(fā)表工作的對(duì)比
通過(guò)AFM DMT模量圖譜與微觀(guān)表征深入揭示了性能同步提升的內(nèi)在機(jī)理：性能跨越的核心在于成功構(gòu)筑了“梯度模量界面層”。相較于未改性復(fù)合材料界面處“斷崖式”的模量突變，1.2 wt.% CNTs的引入將界面層厚度調(diào)控至約361.4 nm，形成了一個(gè)平滑過(guò)渡的梯度模量層（見(jiàn)圖3），從而顯著緩解了高模量纖維與低模量基體間的應(yīng)力集中。
圖3 CF/PEEK復(fù)合材料中界面層模量分布圖與界面層厚度
CF/PEEK復(fù)合材料的抗沖擊性能，如圖4a1-a2所示，未添加CNTs的CF/PEEK復(fù)合材料在沖擊后前表面出現(xiàn)較深凹痕，而后表面的裂紋呈鋸齒狀擴(kuò)展（圖4 a2）。添加CNTs后，裂紋的形狀和擴(kuò)展方向發(fā)生了變化。當(dāng)摻入0.6 wt.% CNTs時(shí)，裂紋沿后表面三叉星圖案的方向擴(kuò)展（圖4b2）。CF/PEEK-1.2復(fù)合材料表現(xiàn)出圖4c2中所示的最短裂紋長(zhǎng)度。CF/PEEK-1.8復(fù)合材料中的裂紋呈直線(xiàn)擴(kuò)展，其擴(kuò)展長(zhǎng)度大于CF/PEEK-1.2復(fù)合材料（圖4d2）。
圖4 CF/PEEK復(fù)合材料落錘沖擊后的前后面損傷數(shù)碼照片與超聲C掃照片
為進(jìn)一步量化沖擊損傷，對(duì)超聲C掃描振幅圖像進(jìn)行二值化處理，并計(jì)算了所有試樣的層壓板平面投影損傷面積（圖4a3-d3）。C掃描結(jié)果表明，主要損傷模式為分層損傷，計(jì)算得到的投影損傷面積定義為分層損傷投影面積（DDPA）。對(duì)于未添加CNTs的復(fù)合材料，DDPA約為44.8 mm2。添加CNTs后，裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度和損傷面積均減?。◤?4.8 mm2 降至44.2 mm2）。[email protected]復(fù)合材料的DDPA為39.5 mm2，降幅約為12%。損傷的減少可能歸因于：在無(wú)CNTs的情況下，界面相無(wú)法在沖擊載荷下有效地將應(yīng)力傳遞給碳纖維，導(dǎo)致更大的基體損傷區(qū)域。相反，添加CNTs改善了纖維-基體界面粘結(jié)以及減緩了界面模量梯度差，使外界應(yīng)力能更有效地從基體傳遞到纖維。因此，基體損傷區(qū)受到約束，裂紋擴(kuò)展被抑制，沖擊損傷被限制在中心區(qū)域。
圖5 CF/PEEK復(fù)合材料梯度模量界面層與抗沖擊機(jī)理示意圖
通過(guò)對(duì)CF/PEEK復(fù)合材料低速?zèng)_擊行為進(jìn)行研究，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了梯度模量界面層重塑材料抗沖擊行為的內(nèi)在邏輯。在未添加CNTs時(shí)，薄弱的界面結(jié)合力導(dǎo)致裂紋在沖擊載荷下幾乎不受阻礙地快速擴(kuò)展，引發(fā)嚴(yán)重的界面脫粘、分層及纖維斷裂。而通過(guò)引入1.2 wt.% 的CNTs，材料內(nèi)部成功構(gòu)筑起關(guān)鍵的“梯度模量過(guò)渡界面層”，在應(yīng)力傳遞中起到了核心緩沖作用。同時(shí)CNTs的引入可以迫使裂紋擴(kuò)展路徑變得更加曲折且漫長(zhǎng)，顯著提升了能量消散效率；結(jié)合CNTs從基體中拔出時(shí)的微觀(guān)耗能過(guò)程，有效遏制了分層損傷的橫向蔓延，從而將損傷限制在中心區(qū)域，以獲得更高的沖擊后壓縮強(qiáng)度（見(jiàn)圖5）。
本研究通過(guò)一種簡(jiǎn)易、可工業(yè)化的改性方法，成功解決了CF/PEEK復(fù)合材料界面模量失配的問(wèn)題 。這種梯度界面層設(shè)計(jì)不僅為開(kāi)發(fā)高性能 CF/PEEK 材料提供了理論依據(jù)，也為未來(lái)航空航天結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)更高程度的減重與抗沖擊性能開(kāi)辟了新路徑。該工作得到了廣東省自然科學(xué)基金、深圳市自然科學(xué)基金等資助。
論文信息：Jinze Cui#, Yutai Luo#, Lingcong Kong, Changqiang Jia, Feng Bao, Jiali Yu, Caizhen Zhu, Jian Xu, Huichao Liu*. Simultaneous improvement in-plane mechanical performance and impact resistance of CF/PEEK composites via constructing a gradient modulus interphase. Chemical Engineering Journal 2026,172690.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.172690.
同時(shí)，針對(duì)熱塑性樹(shù)脂熔體粘度高、難以浸漬碳纖維大絲束或碳纖維織物內(nèi)部，易產(chǎn)生孔隙等缺陷，嚴(yán)重降低碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。作者團(tuán)隊(duì)采用連續(xù)化機(jī)械展纖技術(shù)將碳纖維大絲束展寬減薄，且將連續(xù)碳纖維帶短切為碳纖維片（Chopped ultra-thin CF tape），縮短熔體的浸漬路徑，減少孔隙的產(chǎn)生，并構(gòu)筑梯度模量界面層，提高CF/PA6復(fù)合材料的界面性能和降低其孔隙率，相關(guān)工作以“Continuous construction of gradient modulus interphase in CF/PA6 composites with enhanced interfacial properties and reduced porosity”為題發(fā)表在Composites Science and Technology上。
論文信息：Guang Yang#, Jinze Cui#, Kewen Zeng, Yutai Luo, Feng Bao, Jiali Yu, Caizhen Zhu, Jian Xu, Huichao Liu*. Continuous construction of gradient modulus interphase in CF/PA6 composites with enhanced interfacial properties and reduced porosity. Composites Science and Technology 2025, 272, 111392.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2025.111392
