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研究背景
碳纤维 （CF） 增强环氧树脂（EP）复合材料（E/C）已广泛应用于众多领域，但由于CF的“烛芯”效应，它们始终受到低阻燃性的困扰。尽管添加阻燃剂的传统方法使复合材料能够获得一定的阻燃能力，但它会损害复合材料的机械性能。因此，亟需开发一种兼具优异阻燃性能和机械性能的复合材料。
文章要点
本研究提出一种创新的界面改性策略，即在碳纤维表面构建三维界面网络。通过在碳纤维表面原位构筑聚磷腈（PZS）网络，并利用PZS与磷酸铵盐（APP）之间的协同作用，显著改善了APP在环氧树脂基体中的分散均匀性。基于PZS与APP的协同阻燃及界面增强效应，本研究成功打破传统改性瓶颈，实现了复合材料阻燃性能与机械性能的同步提升，同时达成增强与增韧的双重效果。测试结果表明，该改性复合材料的防火安全性能得到显著优化，达到UL-94 V-0级阻燃标准，且峰值热释放速率（PHRR）和总热释放量（THR）分别降低76.7%和60.5%；此外，其机械性能同步提升，拉伸强度和冲击强度分别提高118.1%和109.3%。上述性能的提升，主要归因于PZS/APP体系对碳纤维“烛芯效应”的有效抑制、各组分间形成的强氢键相互作用，以及碳纤维表面粗糙度提升后与环氧分子链形成的界面缠结效应。本研究明确了合理设计界面结构对提升E/C复合材料综合性能的关键作用，为其在高端防火、承载领域的拓展应用提供了新的理论依据与技术思路。
图文展示
图1. CF改性示意图
图2. SEM 图像展示了（a）CF、（b）CF-HCCP、（c）C@PT-7、（d）C@PT-11、（e）C@PT-15 和（f）C@PT-19 的形态；（g）不同纤维样本的 TGA 曲线，如图所示；（h）未处理的 CF 和改性纤维的接触角；（i）未处理的 CF 和改性纤维的表面能量（如图所示）；（j）C@PT-15 的三维氢键网络及表面润湿性的示意图。
图3. 通过扫描电子显微镜对（a）E/15C、（b）E/15C@PT-15 和（c）E/15C@P-15/10A 复合材料的界面结合状态进行了比较；（d）E/15C@P-15/5A、（e）E/15C@P-15/8A、（f）E/15C@P-15/10A 和（g）E/15C@P-15/11A 的脆性断裂截面中的 APP 颗粒尺寸分布的统计图表；（h）复合材料纤维界面区域相互作用的示意图以及断裂截面中纤维界面状态的示意图；（i）改性纤维与 APP 之间的相互作用示意图以及 APP 在系统中的分散示意图。
图4. 复合材料的热学和燃烧特性：（a、b）热重分析（TGA）和微分热重分析（DTG）曲线；（c）可燃性指数（LOI）值；（d）来自 UL-94 垂直燃烧测试的数字照片；来自锥形热分析法得出的参数包括：(e) 热释放速率（HRR）、(f) 最高热释放速率（THR）、(g) 烟雾释放量（TSP）、(h) 一氧化碳释放速率（COP）以及 (i) 二氧化碳释放速率（CO2）（j）关于阻燃性能的对比总结.
图5. 代表性复合材料样品的机械性能。（a）应力-应变曲线，（b）拉伸强度，（c）未缺口伊佐德冲击强度，（d）tan δ 曲线，（e）储能模量以及（f）不同复合材料样本的循环拉伸曲线；不同复合材料样本断裂表面的扫描电子显微镜图像（g）E/15C、（h）E/15C@PT-15 和（i）E/15C@PT-15/10A 样本在拉伸测试后的图像；（j）对应界面失效模式和相互作用的示意图。
本工作以“Simultaneous Enhancement of Flame Retardancy and Mechanical Properties in Carbon Fiber Composites by Interface Polyphosphazene Networks”为题发表在期刊《Composites Part B: Engineering》（IF: 14.2，中科院材料科学大类1区）。论文的第一作者为西南交通大学2024级博士生胡斗，通讯作者为美狮贵宾会官网入口王勇教授和孙得翔讲师。
Dou Hu, Zhi-yuan Lan, Yi-song Bi, De-xiang Sun*, Yong Wang *. Simultaneous Enhancement of Flame Retardancy and Mechanical Properties in Carbon Fiber Composites by Interface Polyphosphazene Networks. Composites Part B: Engineering. 323 (2026) 113812.
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2026.113812
