Synergistic Dual-Reinforcement of Carbon Fiber/Polycarbonate Thermoplastic Composites via Molecularly Designed Interfacial Modification and Interlaminar Nano-Bridging
本研究表明，结合了分子设计聚硅氧烷界面改性与层间多壁碳纳米管/聚碳酸酯（MWCNT/PC）纳米桥接的协同双重增强策略，显著提升了碳纤维/聚碳酸酯热塑性复合材料的机械强度、界面粘附力和热稳定性，同时实现了可完全回收的高性能工业应用。
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强韧且轻质的材料是现代工程学的支柱，它们让飞机能飞得更高，让汽车能以更少的燃料行驶得更远。几十年来，这些最强韧的材料一直依赖于一个两部分组成的系统：由极细的碳纤维丝充当骨架，以及硬质塑料树脂充当胶水。传统上，这种胶水是一种热固性塑料，其固化过程就像煮熟的鸡蛋一样；一旦变硬便无法再次熔化。虽然这种材料很坚固，但其永久性使得回收几乎变得不可能，从而造成了日益增长的废弃物堆积。科学家们长期以来寻求的解决方案是将这种永久性的胶水更换为热塑性塑料，这种材料可以像蜡笔一样被熔化、重塑和重复使用。然而，这种转变一直很困难，因为现今销售的碳纤维都预先涂覆了一层旨在配合旧有永久性胶水的化学层。当这些纤维遇到这种新型的可熔化塑料时，它们根本无法很好地粘合在一起，导致最终材料强度不足且容易断裂。
来自台湾的一个研究团队开发了一种巧妙的两步策略来解决这种顽固的不兼容问题，创造出一种既极其坚固又完全可回收的新型复合材料。他们的方法在两个不同的尺度上解决了问题：单个纤维的表面以及它们之间的层间。首先，他们剥离了碳纤维上工厂应用的涂层，并用一种定制设计的化学层取而代之。这个新层充当了分子桥梁，与聚碳酸酯塑料基体进行化学键合，以确保纤维与胶水作为一个整体协同工作，而不是彼此滑动分离。其次，他们在材料堆叠的正中间插入了一层微观的碳纳米管——即微小的管状碳结构。这张薄片充当了安全网，在裂纹扩散并撕裂材料之前将其拦截。
研究人员使用一种能够自动铺设纤维的机器人系统测试了这种新材料，这种方法对于大规模生产至关重要。他们发现，这种新纤维涂层与内部纳米管层的结合，产生了一种比未改良版本强度显著提高的材料。具体而言，这种新型复合材料在断裂前能承受多出 23% 的拉力、25% 的弯曲力以及 27% 的层间剪切力。成功的秘诀在于材料失效的方式。在旧的、未经改良的版本中，纤维会直接从塑料中拔出，留下一个干净且空洞的孔隙。而在新版本中，纤维与塑料之间的结合变得如此牢固，以至于塑料本身必须发生撕裂和拉伸才能使材料断裂，这一过程吸收了更多的能量。
除了更强韧之外，这种新材料对热量的处理能力也更好。当受到极端温度影响时，这种双重增强结构将塑料开始分解的临界点推迟了约 20 摄氏度。这种性能的提升是因为纳米管网络在材料内部创造了一个扭曲、迷宫般的路径，使得加热后的塑料释放出的气体更难逸出。这种简单的降解延迟表明，这种材料可以在比此前认为的此类塑料更高的温度环境下生存。
该研究还探讨了塑料树脂的厚度和流动性如何影响最终产品。他们发现，当塑料足够流动，能够深入渗透进纤维束并填满每一个微小的缝隙时，这种新的纤维涂层效果最好。如果塑料太厚且流动缓慢，它就无法到达纤维束的中心，从而留下薄弱点。然而，即便面临这些挑战，这种新方法在不同类型的塑料树脂中始终表现优于标准材料。通过证明这些先进材料可以使用自动化、高速的机械制造，研究人员展示了一条清晰的路径，即制造出高性能部件，这些部件不仅更轻、更强，而且能够被熔化并重生为新产品，从而实现工业废物的闭环管理。
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