界面性能调控：MWCNTs-MoS2杂化纳米颗粒修饰碳纤维增强环氧复合材料的协同效应研究

针对碳纤维(CF)与环氧树脂界面结合弱、力学性能不足的难题，研究人员通过H2O2液相氧化和GPTMS硅烷偶联技术，在CF表面接枝MWCNTs-MoS2杂化纳米颗粒。该研究使复合材料的层间剪切强度(ILSS)提升23.6%，弯曲强度达623 MPa，玻璃化转变温度(Tg)提高8.3°C，创新性地提出"部分约束环氧链限域效应"机制，为航空航天领域高性能复合材料开发提供新策略。

　　

在航空航天和汽车工业对轻量化材料需求日益增长的背景下，碳纤维(CF)增强环氧树脂复合材料因优异的比强度和刚度备受关注。然而，CF表面惰性导致的环氧树脂浸润性差、界面结合弱等问题，严重制约了材料性能的充分发挥。传统表面改性方法如等离子处理或酸氧化虽能改善界面性能，但往往以牺牲材料韧性为代价。如何实现界面强度与韧性的协同提升，成为复合材料领域亟待解决的科学难题。

印度韦洛尔理工学院(Vellore Institute of Technology)制造工程系的研究团队创新性地提出"刚性-柔性"协同增强策略。通过将二维二硫化钼(MoS₂)纳米片与一维多壁碳纳米管(MWCNTs)杂化，开发出MWCNTs-MoS₂三维杂化纳米颗粒，并采用双步法（H₂O₂氧化+硅烷偶联）将其接枝到CF表面。该研究成果发表在《Results in Engineering》期刊，首次揭示了"部分约束环氧链限域效应"的界面增强机制。

研究采用水热法合成MWCNTs-MoS₂杂化颗粒，通过FTIR、XPS和HRTEM证实MoS₂以2-4层（单层厚度0.627 nm）形式均匀沉积在MWCNTs表面。真空灌注成型(VIP)技术制备的复合材料纤维体积分数达51%，孔隙率仅1.58%。研究团队建立了同步复合制备体系，确保不同样品在相同工艺条件下成型，显著提高了数据可比性。

【材料表征与界面设计】
XRD分析显示杂化颗粒同时保留MWCNTs(26.4°)和MoS₂(14.1°)特征峰。Raman光谱中MWCNTs-MoS₂/CF的I_D/I_G比值升至0.92，表明接枝过程引入更多活性位点。FESEM证实杂化颗粒使MoS₂团簇尺寸从2.53±0.04 μm降至0.52±0.01 μm，实现纳米级均匀分散。

【力学性能突破】
三点弯曲测试显示：环氧/GPTMS-CF/MWCNTs-MoS₂复合材料弯曲强度达623 MPa，较未改性样品(558 MPa)提升11.6%。短梁剪切测试表明其ILSS值提升至47 MPa，对应应变提高31.7%。动态机械分析(DMA)显示储能模量提升14%，Tg从66°C升至74.3°C，证实界面相互作用增强。

【失效机制创新发现】
断口分析揭示三种典型失效模式：未改性样品呈现大规模纤维拔出；MWCNTs改性样品显示脆性断裂特征；而杂化颗粒改性样品表现出独特的"脊状"断裂形貌。EDS mapping证实载荷超过临界值时，MWCNTs-MoS₂颗粒从CF表面剥离并嵌入环氧基体，这种"可控脱粘"行为实现了应力有效传递与裂纹偏转的平衡。

该研究通过构建"MWCNTs机械锚固-MoS₂裂纹偏转"协同体系，突破传统纳米增强材料"强度-韧性"此消彼长的局限。提出的"部分约束环氧链限域效应"理论为复合材料界面设计提供新思路，其采用的硅烷接枝技术具有工业化放大潜力，对推动航空复合材料国产化进程具有重要意义。研究同时发现MoS₂纳米片的润滑特性可降低MWCNTs团聚倾向，这为其他纳米杂化体系开发提供了借鉴。