英国曼彻斯特大学陈晓钢博士和刘旭庆博士以 “π - π interaction between carbon fibre and epoxy resin for interface improvement in composites” 为题在复合材料国际顶尖期刊 Composites Part B 上发表氧化石墨烯增强复合材料界面的研究论文。研究团队提出一种界面增强π修饰的策略，利用二维材料和纤维间的π – π堆积来无损修饰碳纤维表面，从而增强碳纤维和环氧树脂间的结合力。

图1. GO-PDA 修饰碳纤维表面以增强纤维/树脂界面抗剪强度。

  近年来，碳纤维增强复合材料被广泛的应用在航空航天，国防工业和汽车等领域中。但是由于碳纤维表面的化学惰性，导致碳纤维增强复合材料的损伤常发生于纤维与树脂结合和的界面上。因此，碳纤维表面处理和增强碳纤维与树脂的界面性能是非常重要的。尽管已开发出一些物理和化学的方法来增加碳纤维表面的粗糙度以及化学活性，但是这些方法仍然工艺复杂并且会损伤纤维原本结构和性能。

  针对这一问题，曼彻斯特大学陈晓刚和刘旭庆首次提出了利用氧化石墨烯和纤维间的π – π相互作用来修饰碳纤维表面的解决方案 （图1）。氧化石墨烯作为二维材料不仅具有超高的比表面积，出色的力学性能，并且比石墨烯更加具有化学活性。柔软的二维材料更加容易包裹曲面的纤维结构。聚多巴胺是一种生物启发的聚合物，来源于贻贝中的蛋白质。这种聚合物可以在温和的温度和pH条件下与纤维表面结合并且引入官能团。利用聚多巴胺作为连接氧化石墨烯和纤维的平台，不仅成功的在纤维表面接枝氧化石墨烯，更加保护了纤维本身的力学性能。

图2. (a)未处理的碳纤维, (b) PDA-碳纤维和 (c) GO-PDA-碳纤维的C1的高分辨率XPS光谱。(d)碳纤维表面和GO-PDA涂层间的π – π相互作用示意图。

  氧化石墨烯与芳香族分子间强的π – π相互作用使得氧化石墨烯片稳定的接枝在碳纤维表面 （图2），通过GO-PDA 修饰碳纤维表面，单根纤维与环氧树脂间的界面抗剪强度增加了约70%， 同时单根纤维的拉伸强度也增强了约80%。此方法首次运用于复合材料领域，不仅增强了碳纤维与环氧树脂间的界面性质，也为其他高性能纤维的表面性能增强提供了新的思路，为高性能纤维在复合材料工业、国防及航空航天领域的应用奠定了基础。

  该论文第一作者为曼彻斯特大学曾蕾博士，曼彻斯特大学陈晓钢博士和刘旭庆博士为共同通讯作者，英国皇家工程院院士Constantinos Soutis教授为共同作者。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108983