兼顾色彩与强度！山西煤化所突破彩色碳纤维界面性能瓶颈

看似完美的CFRPA复合材料，实则藏着两道技术“坎”。一方面是颜色表现的局限——碳纤维本身表面惰性强、结晶度高，传统染色工艺要么颜色暗淡，要么附着力差，难以实现持久鲜艳的着色效果，这让其在对外观有要求的高端消费领域应用受限；另一方面则是界面结合的短板——聚酰胺树脂加工时粘度高，很难在碳纤维表面均匀铺展，容易形成空隙和干点，直接影响复合材料的整体力学性能。

行业内曾尝试用原子层沉积技术在碳纤维表面制备金属氧化物着色膜，但新的问题随之而来：这类薄膜与聚酰胺（PA）基体的相容性极差，而且薄膜表面只有少量羟基这一类单一官能团，在复合材料高温制备过程中，羟基还容易脱附，根本无法形成稳固的界面结合，相当于“治标不治本”。

针对这一行业瓶颈，两支科研团队提出了“无机-有机协同改性”的创新思路，构建出一种兼具生色功能与界面增强效果的PA-TiO₂复合薄膜，为问题提供了系统性解决方案。整个改性过程分为两步：首先通过原子层沉积（ALD）技术，在碳纤维表面精准构筑一层无机TiO₂薄膜——这层薄膜并非简单的着色涂层，而是通过可见光干涉作用呈现出均匀亮丽的结构色，从根源上解决着色问题；随后再通过表面改性工艺，在TiO₂薄膜外侧包覆一层有机PA层，专门强化碳纤维与聚酰胺基体的结合能力。

这种“无机生色+有机增容”的双层设计，展现出1+1>2的效果。无机TiO₂薄膜负责提供明亮、持久的结构色，而外侧的有机PA涂层不仅对原有色彩影响微乎其微，还成为了碳纤维与PA基体之间的“桥梁”。由于PA涂层与PA6基体化学属性相近，相容性极佳，更重要的是，涂层中的酰胺基团能与PA6基体形成牢固的化学键和氢键，从分子层面提升了界面结合强度。

实验数据给出了直观证明：经PA-TiO₂薄膜改性后的碳纤维，其界面剪切强度（IFSS）达到50.14MPa，与仅用TiO₂薄膜改性的碳纤维相比，性能提升了23.62%。这一数据不仅验证了技术方案的有效性，更标志着我国在彩色碳纤维领域，实现了从“能着色”到“着色且强韧”的跨越。

此次研究的价值不仅在于提出了一种实用的改性方法，更从分子结构层面阐明了碳纤维结构生色与界面增强的内在机理，为后续在分子层面精准调控生色结构和界面增强结构提供了理论支撑与实践指导。未来，随着这项技术的落地，彩色碳纤维将在航空航天、高端体育用品、汽车轻量化等领域开辟更广阔的应用空间，让材料既“有颜值”更“有实力”。