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  英國曼徹斯特大學陳曉鋼博士和劉旭慶博士以 “π - π interaction between carbon fibre and epoxy resin for interface improvement in composites” 為題在復合材料國際頂尖期刊 Composites Part B 上發表氧化石墨烯增強復合材料界面的研究論文。研究團隊提出一種界面增強π修飾的策略，利用二維材料和纖維間的π – π堆積來無損修飾碳纖維表面，從而增強碳纖維和環氧樹脂間的結合力。

圖1. GO-PDA 修飾碳纖維表面以增強纖維/樹脂界面抗剪強度。

  近年來，碳纖維增強復合材料被廣泛的應用在航空航天，國防工業和汽車等領域中。但是由于碳纖維表面的化學惰性，導致碳纖維增強復合材料的損傷常發生于纖維與樹脂結合和的界面上。因此，碳纖維表面處理和增強碳纖維與樹脂的界面性能是非常重要的。盡管已開發出一些物理和化學的方法來增加碳纖維表面的粗糙度以及化學活性，但是這些方法仍然工藝復雜并且會損傷纖維原本結構和性能。

  針對這一問題，曼徹斯特大學陳曉剛和劉旭慶首次提出了利用氧化石墨烯和纖維間的π – π相互作用來修飾碳纖維表面的解決方案 （圖1）。氧化石墨烯作為二維材料不僅具有超高的比表面積，出色的力學性能，并且比石墨烯更加具有化學活性。柔軟的二維材料更加容易包裹曲面的纖維結構。聚多巴胺是一種生物啟發的聚合物，來源于貽貝中的蛋白質。這種聚合物可以在溫和的溫度和pH條件下與纖維表面結合并且引入官能團。利用聚多巴胺作為連接氧化石墨烯和纖維的平臺，不僅成功的在纖維表面接枝氧化石墨烯，更加保護了纖維本身的力學性能。

圖2. (a)未處理的碳纖維, (b) PDA-碳纖維和 (c) GO-PDA-碳纖維的C1的高分辨率XPS光譜。(d)碳纖維表面和GO-PDA涂層間的π – π相互作用示意圖。

  氧化石墨烯與芳香族分子間強的π – π相互作用使得氧化石墨烯片穩定的接枝在碳纖維表面 （圖2），通過GO-PDA 修飾碳纖維表面，單根纖維與環氧樹脂間的界面抗剪強度增加了約70%， 同時單根纖維的拉伸強度也增強了約80%。此方法首次運用于復合材料領域，不僅增強了碳纖維與環氧樹脂間的界面性質，也為其他高性能纖維的表面性能增強提供了新的思路，為高性能纖維在復合材料工業、國防及航空航天領域的應用奠定了基礎。

  該論文第一作者為曼徹斯特大學曾蕾博士，曼徹斯特大學陳曉鋼博士和劉旭慶博士為共同通訊作者，英國皇家工程院院士Constantinos Soutis教授為共同作者。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108983