大丝束碳纤维（通常指单束纤维数超过4.8万根的碳纤维）凭借低成本、高产出优势，在风电叶片、桥梁工程、汽车轻量化等领域展现出广阔应用前景。然而，其表面惰性导致的界面结合弱问题长期制约性能发挥——传统工艺下复合材料层间剪切强度（ILSS）普遍低于50MPa，难以满足高端结构件需求。近期，我国科研团队在界面改性领域取得突破性进展，通过多尺度结构设计、纳米材料协同及绿色工艺创新，成功将ILSS提升至90MPa以上，为规模化工业应用奠定基础。
界面性能优化的核心挑战与突破方向
大丝束碳纤维的界面问题源于其表面光滑、化学活性低，与树脂基体间易形成弱边界层。传统氧化处理（如液相硝酸蚀刻）虽能引入含氧官能团，但存在工艺污染大、纤维损伤风险；等离子体处理虽环保，却难以实现规模化均匀改性。针对此，研究聚焦三大方向：
表面微纳结构构建：通过等离子体喷涂或电化学氧化在纤维表面形成纳米级粗糙结构，增强机械互锁效应。
化学键合强化：引入活性基团（如氨基、羧基）与树脂形成共价键，提升界面结合能。
多功能上浆剂开发：设计兼容热固性与热塑性树脂的上浆体系，实现工艺适配与性能协同。
创新表面改性技术：从微观到纳米的精准调控
等离子体-纳米材料复合处理
中国科学院团队开发出“等离子体预处理+石墨烯接枝”工艺：首先通过低温等离子体在纤维表面刻蚀出微米级沟槽，随后利用化学气相沉积（CVD）在沟槽内原位生长石墨烯纳米片。这种结构使纤维比表面积增加300%，同时石墨烯的π-π共轭作用与树脂形成强界面相互作用。测试表明，改性后碳纤维/环氧复合材料ILSS达73.5MPa，较未处理样品提升65%。
电化学氧化与分子接枝协同
东华大学研究团队采用电化学氧化法，在碳纤维表面引入大量羧基（-COOH）和羟基（-OH），随后通过酯化反应接枝聚醚胺（PEA）分子链。PEA的柔性链段可缓冲界面应力，而末端氨基与环氧树脂发生开环反应，形成化学键合。该工艺使复合材料在150℃高温下的ILSS保持率从35%提升至78%，显著改善耐温性能。
多功能上浆剂体系：绿色工艺与高性能的平衡
针对聚醚醚酮（PEEK）等高性能热塑性树脂，北京化工大学开发出水性聚醚酰亚胺（PEI）上浆剂：
分子设计：在PEI主链中引入磺酸基团，通过氢键作用增强与碳纤维表面含氧官能团的结合，同时磺酸基的强极性可提升与PEEK的相容性。
纳米协同：添加2wt%羧基化多壁碳纳米管（CNT-COOH），利用π-π堆叠作用在纤维表面形成纳米网络，既提高润湿性又分散界面应力。
该上浆剂使碳纤维/PEEK复合材料层间剪切强度达92.3MPa，且上浆率控制在1.5%以下，避免过度包覆导致的纤维分散性下降。
性能表征与机理验证
力学性能跨越式提升
层间性能：石墨烯改性样品在单纤维拔出试验中界面剪切强度（IFSS）达80MPa，较传统氧化处理提升70%。
耐温性：PEI上浆剂体系在200℃热老化100小时后，ILSS仅下降8%，远优于商业环氧上浆剂（下降35%）。
动态载荷：采用电化学-PEA接枝工艺的复合材料，在疲劳测试（10⁶次循环，应力幅值50MPa）后未出现分层，而未改性样品在10⁴次循环后即失效。
微观机制解析
界面相结构：透射电镜（TEM）显示，改性后纤维与树脂间形成约200nm厚的过渡层，其中石墨烯片层与PEA分子链形成“刚柔并济”结构，既保证载荷传递又缓冲应力集中。
裂纹扩展抑制：纳米压痕试验表明，纳米材料改性使界面断裂韧性和树脂断裂，裂纹扩展需克服更多能量壁垒。
产业化应用前景与挑战
目前，相关技术已在中石化上海石化、吉林化纤等企业的产线中试成功：
工艺适配性：等离子体-石墨烯接枝工艺可集成至现有碳纤维生产线，处理速度达15m/min，满足万吨级产能需求。
成本控制：水性PEI上浆剂成本较传统溶剂型降低40%，且无需后续洗涤工序，综合成本优势显著。
标准制定：行业正推动《大丝束碳纤维界面性能评价方法》团体标准编制，涵盖ILSS、IFSS、耐湿热性等核心指标。
结论与展望
通过表面微纳结构构建、化学键合强化及绿色上浆剂开发，我国在大丝束碳纤维界面性能优化领域实现关键突破，部分指标达国际领先水平。未来需进一步探索：
规模化工艺稳定性：优化等离子体设备参数，解决大批量处理时的均匀性问题。
多材料兼容性：开发适用于不同树脂体系（如双马树脂、苯并噁嗪）的通用型上浆剂。
智能界面设计：引入4D打印技术，实现界面性能随服役环境动态调整。
这些进展将推动大丝束碳纤维在航空航天、新能源装备等高端领域的应用，助力“双碳”目标下材料轻量化革命。
