国仪量子扫描电镜助力水性上浆剂在碳纤维改性方面的微观结构分析

杂萘联苯聚芳醚酮（PPEK）是一种高性能工程塑料，以其出色的耐温性、机械性能、尺寸稳定性和耐化学腐蚀性而著称，这些优势使其在多变的摩擦环境中有着广阔的应用潜力。不过，纯PPEK的摩擦和磨损指数偏高，因此需要通过改进来降低这些指标。通过添加颗粒或掺杂纤维可以显著提高PPEK的性能，短切碳纤维（SCF）因其出色的机械性能、导热性和强化效果，成为优化PPEK的理想添加剂。但是，SCF的光滑表面和化学稳定性导致其与树脂的相容性不佳，这限制了碳纤维增强PPEK复合材料的进一步发展。

针对前述挑战，大连理工大学化工学院蹇锡高教授领导的团队利用国仪量子扫描电镜进行了细致的研究工作，研制出一种新型环保水基浆料HPPAEN-COOH，该浆料展现出出色的耐热特性（玻璃化转变温度Tg为253℃，5%重量损失温度T5wt%为330℃）以及优秀的水溶性稳定性，有效提升了SCF与PPEK树脂界面的结合力。通过这种浆料制备的UCF/HPPAEN-COOH/PPEK复合材料，其初始储能模量达到3.50 GPa，其弯曲强度和压缩强度分别达到了150.6 MPa和169.9 MPa，与UCF/PPEK相比，各项性能分别提升了25.9%、11.4%、8.4%。同时，该复合材料的摩擦性能也得到了显著改善，在干燥摩擦及三号喷气燃料环境中的磨损率较原始材料分别减少了52.3%和46.3%。相关研究成果以“A novel water-soluble sizing agent that enhances the interface and tribological characteristics of CF/PPEK composites”为题，发表在《Composites Part B》期刊上。

制备水性上浆剂的过程

采用DHPZ、DHBA和DFBN为原料，K2CO3作为中和剂，甲苯作为干燥剂，通过溶液缩合反应制备了含有羧基结构的杂萘联苯聚芳醚酮（PPAEN-COOH）。接着将合成产物中的氰基转化为羧基，具体实验步骤为：将5克PPAEN-COOH树脂粉末与200毫升6摩尔/升KOH溶液混合于三颈烧瓶中，并配备冷凝回流及机械搅拌设备，在100摄氏度下反应8小时。反应完成后，立即将溶液倒入烧杯，并用稀盐酸调节至pH值为7，经过抽滤、清洗、干燥处理后得到HPPAEN-COOH树脂。最后，将树脂溶解在100毫升0.2克/升KOH溶液中，在25摄氏度下搅拌2小时，之后过滤去除不溶物，制得水性HPPAEN-COOH上浆剂。

图1展示了制备上浆剂的过程和相关特性分析。

复合材料的物理和热学特性

通过DMA技术对CF/PPEK复合材料的储能模量（E′）和损耗因子(tanδ)进行了测定。CF-COOH、CF-0、UCF分别指代采用三种不同方式处理的纤维所制成的PPEK复合材料，它们的初始储能模量分别为3.50GPa、2.97GPa和2.78GPa，显示了上浆剂在提升复合材料界面性能方面的积极作用。此外，还对复合材料的弯曲强度和压缩强度进行了评估。CF-COOH/PPEK复合材料在这两方面均显示出较高的性能，其弯曲强度和压缩强度分别为150.6MPa和169.9MPa，相较于性能较低的UCF/PPEK复合材料（分别为135.2MPa和156.8Mpa），分别提高了11.4%和8.4%。通过激光导热仪对UCF和CF-COOH复合材料的导热性能进行了分析。上浆剂处理后的复合材料导热系数达到0.288 W/(m·K)，相较于UCF的0.254 W/(m·K)提高了13.4%。这种出色的导热性能有助于迅速传导摩擦产生的热量，减少磨损。

图2展示了复合材料的力学和热性能。

复合材料的摩擦特性

在干燥摩擦条件下，三种材料的摩擦系数相似，但CF-COOH/PPEK的磨损系数仅为2.23×10⁻¹⁵ m³/Nm，相较于UCF的4.68×10⁻¹⁵ m³/Nm，降幅达到52.3%。在第三号航空煤油的润滑作用下，复合材料的摩擦系数与磨损系数均显著下降，其中CF-COOH/PPEK的磨损系数降至6.6×10⁻¹⁶ m³/Nm，降幅为46.3%。油介质的介入加速了摩擦转移膜的形成，使得三种材料的磨合期缩短，快速达到稳定状态。实验数据揭示，应用HPPAEN-COOH上浆剂能显著减少复合材料的磨损系数，在干燥摩擦和油润滑条件下均显示出优异的应用潜力。

图3展示了复合材料在不同条件下的摩擦特性。

复合材料的界面增强机制及其磨损表面特征

通过SEM技术深入研究了不同润滑状态下CF/PPEK复合材料磨损表面的特征。在无润滑的干摩擦环境下，未经上浆剂处理的复合材料表面发生了明显的基体脱落，同时部分UCF在摩擦过程中从基体中脱离，暴露在外。这反映出PPEK与UCF表面之间的粘附力不足，这种界面弱点可能会导致应力集中，进而加剧磨损过程。相比之下，经过上浆剂处理的复合材料表面仅显示了轻微的擦痕，CF表面呈现出较为平滑且被树脂均匀覆盖的状态，这表明纤维与基体之间的结合更为牢固。总的来说，HPPAEN-COOH成功防止了纤维的抽出，并且能够迅速传递摩擦产生的热量，促使复合材料的磨损模式从粘着磨损和疲劳磨损转变为轻微的磨粒磨损。

图4展示了复合材料界面增强机制和磨损表面特征。

本项研究开发的上浆剂显著提升了复合材料的界面特性和摩擦性能，为开发高功能热塑性树脂基复合材料及其界面改良机制的微观分析开辟了新途径。

图2.复合材料的力学和热性能

复合材料的摩擦性能

在干摩擦条件下，三种材料的摩擦系数相近，然而CF-COOH/PPEK的磨损系数仅为2.23×10⁻¹⁵ m³/Nm，较UCF的4.68×10⁻¹⁵ m³/Nm降低了52.3%。在三号喷气燃料润滑下，复合材料的摩擦系数和磨损系数显著降低，其中CF-COOH/PPEK的磨损系数为6.6×10⁻¹⁶ m³/Nm，比UCF降低了46.3%。在油介质的作用下，摩擦转移膜形成速度加快，因此三种材料的磨合期均较短，迅速趋于稳定。实验结果表明，HPPAEN-COOH上浆剂的应用显著降低了复合材料的磨损系数，显示出在干摩擦和油润滑环境下的良好应用前景。

图3.复合材料的摩擦性能

复合材料的界面的界面强化机理与磨损表面形貌

进一步利用SEM对不同润滑条件下的CF/PPEK复合材料的磨损表面形貌进行了分析。在干摩擦条件下，未使用上浆剂处理的复合材料表面出现严重的基体剥落，且部分UCF在摩擦的过程中脱离出基体，裸露在外。这说明PPEK对惰性的UCF表面附着力较差，这种界面缺陷容易引起应力集中，从而加速磨损。而经过上浆剂处理后的复合材料表面仅有轻微的划痕，CF表面较为光滑且均匀包裹着一层树脂，说明纤维与基体的结合能力较强。总而言之，HPPAEN-COOH有效的阻止了纤维拔出，而且能够及时传导摩擦热，使复合材料的摩擦机理由黏着磨损和疲劳磨损转变为轻微的磨粒磨损。

图4.复合材料的界面强化机理与磨损表面形貌

这项工作设计的上浆剂能够有效改善复合材料的界面性能和摩擦学性能，为高性能热塑性树脂基复合材料的研发及界面改性机制的微观研究提供了新思路。