文章重要内容

       河南科技大学逄显娟教授团队为解决碳纤维/聚醚醚酮复合材料的界面结合问题，采用聚乙烯亚胺(PEI)上浆剂及聚酰胺-胺(PAMAM)偶联剂接枝法分别对碳纤维(CF)进行改性，研究了CF与PEEK基体界面结合能力增强的作用机理，并通过热压烧结法制备了PEEK及CF/PEEK复合材料，并对复合材料的结构、表面性能及不同载荷和速度下的摩擦磨损性能进行了分析与研究。本研究对碳纤维增强热塑性聚醚醚酮树脂的发展和应用具有重要的意义。

文章背景

       随着制造工业的迅速发展，材料的使用环境更加苛刻，近年来碳纤维(CF)增强热塑性PEEK树脂不仅具有高强、高模量、抗蠕变、耐腐蚀等优异的性能，而且可以反复加工循环利用，所以在各种高性能结构应用中得到了广泛的研究。但是由于CF表面惰性、浸润性差，且PEEK具有耐热性和化学稳定性，导致了复合材料界面性能的降低，所以提高CF与PEEK基体之间的适配性以及界面结合强度具有重要的研究意义和价值。可以通过改变CF的表面形态、微晶态、表面化学组成，加强CF与树脂基体间的范德华作用力、从而提高复合材料界面结合强度，实现摩擦磨损过程中表面应力从聚合物基体向CF的传递，提高复合材料的摩擦学性能。

文章概述

        最近，河南科技大学逄显娟教授团队采用聚乙烯亚胺(PEI)上浆剂及聚酰胺-胺(PAMAM)偶联剂接枝法分别对碳纤维(CF)进行改性，并通过热压烧结法制备了改性CF/PEEK复合材料。如图1所示，与未改性的CF/PEEK复合材料相比，通过PAMAM改性的CF与PEEK基体间的静电相互作用提高，通过PEI改性的CF与PEEK基体间发生了π-π共轭效应，并且CF与PEI间有氢键连接，导致两种改性CF/PEEK复合材料的界面结合强度均得到提高。

改性后的CF/PEEK复合材料的表面能分别比纯PEEK提高了30.9%和10.58%，在摩擦磨损试验中，图2(a1-a2)显示在固定转速200 r/min的情况下，随着载荷提高，改性后的复合材料的摩擦系数先升高再降低，磨损率逐渐升高。与未改性CF/PEEK复合材料相比，PAMAM-CF/PEEK和PEI-CF/PEEK的摩擦系数和磨损率分别低11.63%、72.34%和11.51%、75.58%,图2(c)显示改性后的材料磨损表面的磨损程度减轻。图2(b1-b2)表示在固定载荷90 N的情况下，随着转速的提高，摩擦系数和磨损率均呈现先降低再升高的趋势。PAMAM-CF/PEEK和PEI-CF/PEEK的摩擦系数和磨损率比CF/PEEK分别低15.1%、52.53%和18.78%、63.04%,图2(d)显示改性后的材料磨损表面的磨损程度减轻。图2(e1-e2)摩擦配副GCr15轴承钢球的磨斑形貌和图2(f1-f2)EDS结果显示的磨斑表面化学元素状态也对应了上述CF/PEEK复合材料的摩擦磨损规律。改性后的复合材料在界面结合强度与摩擦磨损性能方面均有改善，且经PEI上浆改性的CF/PEEK复合材料的综合性能优于经PAMAM接枝改性的CF/PEEK。

     该研究通过化学改性的方式提高了CF/PEEK复合材料中CF与PEEK基体之间的界面结合强度，并研究了其作用机理。通过热压烧结法制备了PEEK及CF/PEEK复合材料，并对复合材料的结构、表面性能及不同载荷和速度下的摩擦磨损性能进行了分析与研究，对碳纤维增强热塑性聚醚醚酮树脂的发展和应用具有重要的意义。

上述工作以研究论文形式即将在《高分子学报》2025年第4期印刷出版。论文第一作者为河南科技大学硕士生唐鸣津，通信联系人为逄显娟教授。

唐鸣津, 王艺璇, 杨晓萱, 薛键鑫, 王露露, 王帅, 宋晨飞, 陆焕焕, 张永振, 李杰, 逄显娟. 增强体表面改性对碳纤维/聚醚醚酮复合材料摩擦磨损性能的影响.高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2024.24254Tang, M. J.; Wang, Y. X.; Yang, X. X.; Xue, J. X.; Wang, L. L.; Wang, S.; Song, C. F.; Lu, H. H.; Zhang, Y. Z.; Li, J.; Pang, X. J. Effect of interface modification on mechanical properties and friction and wear properties of carbon fiber/polyetheretherketone composites. Acta Polymerica Sinica, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2024.24254CSTR: 32057.14.GFZXB.2024.7334