聚氨酯用于界面調控以實現碳紙 韌性的提升

·碳紙韌性提升·作者簡介：趙雙雙，在讀博士研究生；主要從事纖維復合材料界面性能與強韌化等方面的研究。

關鍵詞：碳紙；聚氨酯；韌性；界面調控

中圖分類號：TS761.2；TB332 文獻標識碼：A DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2025.08.006

Use of Polyurethane for Interface Control to Improve the Toughness of Carbon Paper

ZHAO Shuangshuang'MENG Ling2，3 * LI Hailong1，* CHEN Dong1 （1.SchlofLightIdustryieneandEngneeingouthCinaUiesityfecolguangouuangdogProine; 2.StateKeyLbofPulpamp;PaperEnginering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou，GuangdongProvince; 3.School ofChemistryand Chemical Engineering，Guangzhou University，Guangzhou，Guangdong Province，510006） （ * E-mail：mengling@gzhu.edu.cn； felhl@scut.edu.cn）

Abstract：Inordertoimprovethetoughnessofcarbonpaper（CP），thisstudyemployedthermoplasticpolyurethanes（TPU）toconstruct multi-layerinterfacsduringteCPodingprocess toreducetheinterfacialbondingstrengthbetwencarbonfiberandresincarbonThe resultsshowedtatTUcouldfillthegroovesonthsurfaceofcarbonfiberandreducethesurfaceroughness.WithteincreaseofTUcontent，theaverageporesizeofCPincreased，thesurfaceconductiviyemainedbasicallyunchanged，thesurfaceougnessandfracture toughnessshowed a trend of increasing first and then decreasing. When the TPU mass fraction was 49. 8% ，the fracture toughness of CP increased by 99. 8% compared with the unmodified CP，the average pore size increased by 35.2% ，and the surface roughness reduced from 28.1 μm to 26.2μm . The improvement in CP toughness was atributed to the energy dissipation caused by fiber pull-out and debonding. Under conditions of 100% relative humidity，the limiting current density and power density of a single cell reached1.28 A/cm2and （204號 347.8mW/cm² ，respectively，achieving the fuel cellperformance of commercial CP.

Keywords：carbon paper；polyurethane;toughness；interface control

碳紙（CP）具有輸氣排水以及電子傳導等功能，被廣泛應用于質子交換膜燃料電池氣體擴散層中[1-3]。和金屬材質4以及碳布相比，碳纖維與樹脂碳的組合具有更好的耐腐蝕性能、更好的表面平整度和優異的透氣性，目前已經成為燃料電池氣體擴散層的首選材料[7-8]。然而，韌性較差是CP這種多孔隙、紙片狀的碳/碳復合材料所不可避免的缺陷，導致CP在運輸、裝堆過程中容易發生損壞，增加成本。

材料的強韌化一直是研究者們所關注的重點方向，復合材料的強韌化機制也已經較為明確。然而，在提高材料韌性的同時增加強度是難以實現的。在纖維增強復合材料的研究開發過程中，纖維與基體之間的界面結合對材料的性能具有顯著影響，原因在于基體與纖維之間的界面設計是平衡材料強度和韌性的有效途徑]。復合材料的界面起到兩種物質之間的橋梁作用，使負載能夠由基體傳遞到增強體。為了能夠使材料達到預定的強度或韌性，增強體和基體之間往往需要不同程度的界面結合強度。以增強為目標的復合材料，需要基體與增強體之間存在強的界面結合強度，以保證應力的可靠傳遞；以增韌為目標的復合材料，則要求基體與增強體之間存在弱界面或適中的界面結合強度，以保證在負載作用下，能夠由纖維脫結合、裂紋偏轉、纖維拔出等現象產生額外的能量耗散，從而實現韌性的增強。

當前，通過界面改性實現材料韌性的增強已經有許多成功的案例，很多靈感來源于自然界中的生物和天然材料的分層結構，如珍珠和帽貝[12-14]，其特點在于多層次的界面結構使其在整體表現中具有優異的能量耗散機制，為克服復合材料設計中的剛度-韌性挑戰提供了良好的思路。Randall等[15首先在碳纖維表面接枝正丁基苯基物，然后再與聚丙烯共混制備出碳纖維增強聚丙烯復合材料，通過正丁基苯基物的中間相連接作用，提高碳纖維與聚丙烯之間的界面結合強度，使材料的韌性得到顯著提高。 W_u 等使用含有梯度固化劑的上漿劑對碳纖維進行表面處理，由于固化劑含量的不同，形成了不同固化程度的層間界面，顯著提高了碳纖維與環氧樹脂的界面剪切強度。Zheng等通過 π-π 相互作用構建了多級梯度模量的“剛性-柔性”界面層，使碳纖維/環氧樹脂復合材料的界面剪切強度、層間剪切強度得到提升。當前，通過在纖維/樹脂界面構建多層級復合界面層提高界面性能以實現強度或韌性的提升已在纖維增強樹脂基復合材料中得到廣泛的研究[18-19]。然而，多層級界面設計實現復合材料韌性的提升仿佛止步于纖維增強樹脂基復合材料，在纖維增強碳基復合材料的研究應用中卻少有報道。

對于CP這種“片狀”的碳/碳復合材料而言，其脆性已經成為研究者的普遍認知[20-22]，改善CP的脆性成為一個值得深入研究的課題。已有研究表明，碳/碳復合材料纖維與基體之間的界面滑移應力遠高于合適界面應有的應力[23-25]，這意味著碳/碳復合材料纖維與基體之間的界面結合強度較高，通過適當的方法降低其界面結合強度是提高其韌性的有效途徑。

本研究采用聚氨酯（TPU）構建多層界面結構，通過對碳纖維表面溝壑的填充和減少酚醛樹脂結合位點降低碳纖維與樹脂碳之間的機械嚙合強度，詳細探討了TPU對CP孔徑結構、電導率、表面粗糙度以及燃料電池性能的影響，為碳/碳復合材料的強韌化積累了經驗。

1實驗

1.1 實驗原料及試劑

短切碳纖維（長度 6mm ，T300級），購自日本東麗株式會社；短切PVA纖維（長度 3mm ），購自日本可樂麗株式會社；聚氧化乙烯（PEO，平均分子質量350萬），購自日本住友株式會社；聚氨酯（TPU，C75A15，固體顆粒），購自德國巴斯夫有限公司；酚醛樹脂（PR311，粉末狀），購自日本住友株式會社；聚四氟乙烯溶液（DISP30），購自美國杜邦公司；商品碳紙（CP，090，未涂覆微孔層），購自日本東麗株式會社；N-N-二甲基甲酰胺，購自廣東翁江化學試劑有限公司；無水乙醇（分析純），購自天津大茂化學試劑公司。

1.2實驗方法

1. 2.1 樹脂浸漬液的制備

以N，N-二甲基甲酰胺作為TPU的溶劑，在50°C 條件下攪拌溶解，分別配制質量分數為 1% ！2% 、 3% 、 4% 、 5% 的TPU溶液。酚醛樹脂采用無水乙醇作為溶劑，常溫下攪拌溶解，配制質量分數為10% 的酚醛樹脂浸漬液。

1. 2.2 CP的制備

使用濕法成形的方法將短切碳纖維、短切PVA纖維和PEO混合均勻后制備定量為 20g/m² 的CP原紙，將CP原紙直接在酚醛樹脂浸漬液中浸漬 3min 撈出，干燥后進行預固化處理，由此得到的CP標記為CP-1。

將CP原紙分別浸漬在不同質量分數的TPU樹脂中 3min 撈出，置于 90°C 烘箱中干燥處理，根據公式（1）計算原紙中TPU的質量分數。然后再將其置于酚醛樹脂浸漬液中處理 3min 后撈出，進行預固化處理，制得不同質量分數TPU的碳紙。

式中， w 為原紙中TPU的質量分數， % ； t₁ 為原紙的質量，g； t₂ 為原紙浸漬TPU干燥后的質量， g

所有的浸膠紙采用相同的預固化工藝和碳化工藝，固化條件為： 80°C 、 30min ， 100^°C 、 30min 和140^°C 、 60min 。固化完成后的浸膠紙在高溫箱式爐中進行碳化處理，條件為：室溫至 1400^°C ，升溫速率 10^°C/min ，保溫時間 60min ，采用 N₂ 氣氛。CP樣品的編號如表1所示。

表1CP樣品的編號Table1AbbreviationofCP

1.3 測試與表征

1.3.1TPU和酚醛樹脂的熱重測試

使用熱重分析儀（TG209F3，德國耐馳公司）對TPU樹脂和酚醛樹脂的殘碳率以及耐高溫性能進行測定，測試條件為：室溫至 800^°C ，升溫速率 10^°C/min N₂ 氣氛。

1.3.2碳纖維表面粗糙度和CP的物理性能測試

使用原子力顯微鏡（AFM，Multimode8，德國布魯克公司）分別對浸漬TPU前后碳纖維表面粗糙度進行測定。CP的表面電導率采用四探針測試儀（RTS-8，廣州四探針儀器有限公司）進行測定，每個樣品測試15個點。使用孔徑分析儀（CFP-1100-A，美國PMI公司）對CP的孔徑結構進行測定。透氣度采用透氣度儀（FX3300，瑞士TEXTEST有限公司）進行測定，測試面積 20cm² ，固定壓差 200Pa 。使用場發射掃描電子顯微鏡（FESEM，HitachiS-370ON，日本Hitachi公司）對樣品的表面形貌、斷裂面形貌進行表征。使用萬能材料試驗機（INSTRON5565，美國INSTRON公司）按GB/T20042.7—2024《質子交換膜燃料電池第7部分：炭紙特性測試方法》測定CP的拉伸強度以及斷裂韌性，以應力-應變曲線下的積分面積計算斷裂韌性。使用3D光學輪廓儀（RTECUpS-Dual，美國RTEC公司）對CP的三維形貌和粗糙度進行測定，每個樣品測試10個點。使用動態接觸角測定儀（OCA50，德國dataphysics公司）采用座滴法測定液滴與CP表面的接觸角大小，每個樣品測試9個點。

1.3.3CP的燃料電池性能測試

將CP在質量分數 4% 的聚四氟乙烯溶液中浸漬3min 后撈出，自然風干后在高溫烘箱中進行燒結，燒結條件為：空氣氣氛、 250°C 保溫 60min 、 350°C 保溫 60min 。

使用燃料電池測試儀（ FT-300W ，寧波拜特測控有限公司）對CP的燃料電池性能進行測試，為真實反映改性CP在燃料電池中的應用性能，未在CP表面涂覆微孔層，將其與商業催化涂層膜疊加組成膜電極組件。燃料電池測試條件：活性面積 25cm² ，使用氫氣和干燥空氣作為反應氣體，電堆溫度 ，氫氣和空氣流量分別為0.3和 1.0L/min ，背壓 70kPa ，控制相對氣體濕度分別為 100% 和 30% ，采用蛇形流道石墨板作為雙極板。

2 結果與討論

2.1 TPU和酚醛樹脂的熱重分析

TPU作為酚醛樹脂與碳纖維之間的界面層需要有一定的適配性：相比于酚醛樹脂要有較低的殘碳率以保證在熱解過程中TPU的降解，以降低酚醛樹脂與碳纖維之間的機械嚙合強度，從而改善酚醛樹脂碳與碳纖維之間的界面結合強度。TPU樹脂需采用不同于酚醛樹脂的稀釋劑保證第2次浸漬過程中不會影響已經形成的結構。圖1為TPU和酚醛樹脂的熱解性能。如圖1所示，TPU在 260～500°C 熱降解速率較快，其800° 時殘碳率為 5.02% 。酚醛樹脂在 140～170°C 及300～750^°C 之間發生較為快速的質量損失，根據酚醛樹脂的差式掃描量熱儀（DSC）測試結果可知，140～170°C 時主要以放熱反應為主，此時酚醛樹脂發生固化反應，樹脂分子之間相互交聯，伴隨著酚醛樹脂中的水及小分子物質的釋放2，其 800° 時殘碳率為54.11% ，顯著高于TPU的殘碳率。

在熱解過程中，碳纖維與酚醛樹脂的熱膨脹系數不匹配，酚醛樹脂的收縮提高了樹脂碳與碳纖維之間的機械嚙合強度，形成了較強的界面結合27]。由于采用先浸漬TPU再浸漬酚醛樹脂的方案，TPU樹脂優先降解以及較低的殘碳率，能夠在酚醛樹脂與碳纖維之間形成空腔，可以有效降低樹脂碳與碳纖維之間的機械嚙合強度。

2.2TPU對CP的界面性能及強度的影響

首次浸漬TPU溶液以后，部分TPU會填充到CP的孔隙結構中，隨著TPU含量的增加，更多的孔隙被填充，CP的FESEM圖如圖2所示。由圖2可知，浸漬過TPU后的單根碳纖維表面附著了一定量的TPU樹脂。在表面張力和范德華力作用下，TPU溶液會相互吸引而發生聚集，導致TPU在碳纖維表面分布不

圖2CP的表面形貌

Fig.2Surface morphology of CP

均勻（圖 。使用AFM對浸漬TPU前后碳纖維表面進行了粗糙度測定，如圖 3（b） 和圖3（c）所示。由圖3（b）可知，浸漬前碳纖維表面粗糙度為 289nm ，浸漬后碳纖維表面粗糙度為 144nm ，降低了 50.2% 。T300級碳纖維由于生產工藝的原因表面存在大量溝壑，表面粗糙度降低，說明TPU對碳纖維的表面溝壑產生了填充作用，能夠有效降低樹脂與碳纖維之間的機械嚙合強度。在后續浸漬酚醛樹脂的過程中，已經被TPU占據的結合位點不能再次與酚醛樹脂結合，附著在碳纖維表層的TPU還可以作為酚醛樹脂與碳纖維之間的緩沖層，降低碳化過程中由于酚醛樹脂體積收縮而產生的與碳纖維之間的界面應力，減弱二者之間的機械嚙合強度，從而實現界面結合強度的調節。

表2為TPU質量分數對CP物理性能的影響。如表2所示，相比于未添加TPU的樣品，添加TPU后CP的拉伸強度和楊氏模量普遍降低，斷裂伸長率和斷裂韌性得到提升。圖4為CP的拉伸斷裂截面。由圖4（a）可知，未浸漬TPU時，CP的拉伸斷裂截面相對平整，少量脫結合的碳纖維表面黏附有較多的樹脂碳，說明碳纖維與樹脂碳之間界面結合強度較高，這主要是由于碳纖維的表面溝壑為樹脂碳與纖維之間的機械嚙合提供了良好的條件。當TPU質量分數為 49.8% 時，CP-5的拉伸強度和楊氏模量相比于CP-1分別降低了5.8% 和 21.6% ，斷裂伸長率和斷裂韌性分別提高了84.6% 和 99.8% 。如圖4（b）所示，CP-5的拉伸斷裂截面處存在較多脫結合的纖維，纖維表面光滑，基本沒有基體碳的黏附，并且在基體中觀察到由于纖維拔出形成的孔洞結構，證明此時纖維與基體之間存在弱結合，同時也觀察到部分纖維與基體之間未發生脫結合，纖維與基體斷裂面基本平齊，證明纖維與基體之間存在強結合。綜合表現為CP-5的界面結合強度適中，既能保證應力的有效傳遞又能夠通過纖維脫結合實現韌性的提升。

Fig.3EffectofTPUonthesurfacecharacteristicsofcarbonfibers

表2TPU質量分數對CP物理性能的影響

Table2 Effect of TPU mass fractiononthephysical propertiesofCP

隨著TPU質量分數的增加，碳纖維與樹脂碳之間的機械嚙合程度進一步下降，界面結合強度的降低是導致拉伸強度下降的主要原因。CP-5韌性的提高主要來源于纖維與基體的脫結合、拔出等過程中纖維與樹脂碳之間發生的相對滑移[28]，表現為材料斷裂伸長率的提高。纖維與樹脂碳的脫結合和拔出現象是材料增韌的有效措施，通過克服摩擦力消耗能量，有效提升材料的韌性[]。模量可以理解為材料抵抗變形的能力[29]，由于纖維與樹脂碳之間界面結合強度的下降，CP在拉伸過程中更容易發生形變，表現為模量下降。

如圖4（c）所示，隨著TPU質量分數的進一步增加，CP-6的各項強度和韌性指標開始下降，此時CP的拉伸斷裂截面處存在多處由于纖維脫結合形成的孔洞結構，纖維表面幾乎沒有樹脂碳的附著，說明此時碳纖維與樹脂碳之間的界面結合強度較低，導致應力傳遞效率的下降，因此CP-6的強度和韌性降低。

碳/碳復合材料高溫碳化及石墨化的過程中，應力會對材料的石墨化程度產生影響，被稱為應力石墨化現象[3，通常采用拉曼光譜進行分析。在 1350cm^-1 左右的拉曼峰稱為D峰，通常被認為是石墨的無序振動峰，可以用來評估碳材料的缺陷程度， 1580cm^-1 左右的拉曼峰稱為G峰，是由于碳材料中的 sp² 雜化C-C振動引起的，來源于結構完善的石墨單晶，2個峰的強度比 （I_p/I_G） ）一般作為碳材料石墨化程度的定量表征[31-32]。圖5為不同碳纖維的石墨化程度。如圖5所示，隨著TPU質量分數的增加，碳纖維的 I_p/I_G 值由1.04增大到1.11，即石墨化程度隨著TPU質量分數的增加而降低。這是由于在碳化過程中，包覆在碳纖維周圍的樹脂會發生收縮從而對碳纖維產生壓應力，在一定程度上形成應力石墨化現象33。由于TPU的存在以及TPU較快的熱降解速率，在酚醛樹脂與碳纖維之間形成了緩沖層，降低了碳化收縮過程中纖維與樹脂碳之間的界面應力，從而降低了碳纖維的石墨化程度。這一現象同樣證明了浸漬TPU作為界面弱化手段的可行性。

圖4CP的拉伸斷裂截面

Fig.4 Tensile fracture cross section of CP

圖5不同CP中碳纖維的石墨化度

Fig.5Graphitization degree of carbon fibersin different CP

圖6TPU質量分數對CP性能的影響

Fig.6Effect of TPU mass fraction on CP properties

2.3TPU對CP的孔徑結構、透氣性及電導率的影響

圖6為TPU質量分數對CP性能的影響。如圖6（a）所示，相比于CP-1，經過聚氨酯改性的CP平均孔徑尺寸均增大。原因在于第1次浸漬TPU溶液后，部分孔隙被TPU填充，從而導致在第2次浸漬酚醛樹脂溶液的過程中已經存在的TPU阻礙了酚醛樹脂的結合，隨著溫度的升高，低殘碳率的TPU被大量分解，從而暴露出部分尺寸較大的孔徑。如圖6（b）所示，CP-1的孔徑尺寸均低于 70μm ，而其他CP的孔徑尺寸在70μm 以上仍有分布，在孔徑尺寸的統計分析中，大孔占比數量提高了CP的平均孔徑尺寸。CP的透氣率主要受到其孔隙結構的影響，因此透氣率的變化趨勢與CP的平均孔徑尺寸基本一致。

2.4TPU對CP表面粗糙度、接觸角和電導率的影響圖7為TPU質量分數對CP表面形貌的影響。如圖7（a）所示，隨著TPU質量分數的增加，CP表面粗糙度呈先上升后下降的趨勢。根據CP的三維形貌圖，CP-1的表面粗糙度主要來源于相互交織的碳纖維，此時粗糙度為 28.1μm ，如圖7（b）所示。CP-2的表面高度起伏具有明顯的區域性，其中紅色的尖銳凸起是由于樹脂碳分布不均勻所引起的粗糙度增加，如圖7（c所示，原因在于CP-2中少量的TPU在碳紙表面分布不均勻，導致第2次浸漬過程中酚醛樹脂的分布不均，隨著碳化的進行，酚醛樹脂結合較多的位置使碳紙的表面粗糙度增大，此時CP的表面粗糙度為33.1μm 。隨著TPU質量分數的增加，CP-2到CP-6的表面粗糙度逐漸下降，每個樣品測試10個點得到的數據誤差范圍也逐漸降低，說明TPU質量分數的增加有利于CP勻度的提升，其中韌性最佳的CP-5的表面粗糙度為 26.2μm 。

根據表2中CP的拉伸測試數據可知，CP-5的拉伸強度、斷裂伸長率及斷裂韌性均相對較高，這是界面結合強度和勻度綜合作用的結果。隨著TPU質量分數的增加，CP的界面結合由強界面轉化為弱界面，而CP-5的界面結合強度適中，整體勻度較好，既能夠滿足應力的傳遞，保證CP的機械強度，同時賦予了纖維與基體發生脫結合的能力，提高了碳紙的韌性。由于CP-2、CP-3、CP-4的勻度均低于CP-1，所以CP中存在更多的缺陷，這些缺陷為裂紋的萌生提供了條件，因此出現拉伸強度的下降。

圖7TPU質量分數對CP表面形貌的影響

為了排出燃料電池反應過程中生成的水，避免堵塞孔徑影響三相反應的傳輸，CP需具有一定的疏水性。圖8為TPU質量分數對CP表面親疏水性和電導率的影響。如圖8（a）所示，隨著TPU質量分數的增加，CP的表面接觸角呈先上升后下降的趨勢，與CP表面粗糙度的發展趨勢基本一致，但整體上相差不大，均在 （144±2）^° 的范圍。這是由于在疏水樣品中，表面粗糙度越大，樣品的接觸角越大34]。不同TPU質量分數主要影響CP的界面結合強度和表面粗糙度，CP的表面親疏水性主要由PTFE含量和粗糙度決定。

圖8TPU質量分數對CP表面親疏水性和電導率的影響

Fig.8Efect of TPU mass fraction on the hydrophilicity/hydrophobicityand conductivityof carbon paper

如圖 8（b） 所示，TPU的使用并未對CP的電導率產生明顯影響，不同TPU質量分數下CP的電導率基本在 （28±3）S/cm 。主要原因在于，為了保證實驗結果的可靠性，綜合考慮了TPU樹脂以及酚醛樹脂的殘碳率，保證最后得到的CP定量基本保持一致，并且在測試電導率的過程中，隨機選取了15個位置進行測試。這意味著每個樣品中樹脂碳以及碳纖維含量基本相同，CP的導電通路在整體上相差不大。

2.5CP的燃料電池性能

為了驗證改性CP的應用效果，對其中韌性最佳的CP（CP-5）以及未經改性的CP（CP-1）和商業CP進行了燃料電池性能的測試（圖9）。如圖9（a）所示，當相對濕度為 100% 時，CP-5的極限電流密度和極限功率密度分別為 1.28A/cm² 和 347.8mW/cm² ，均高于CP-1的燃料電池性能，其中CP-5的極限功率密度相比CP-1提高了 18.4% ，極限電流密度相差不大。商業CP的極限電流密度和功率密度分別為 1.12A/cm² 和349.2mW/cm² ，與CP-5的燃料電池性能基本相同。

圖9不同濕度下CP-1、CP-5和商業CP的功率密度和電流密度

Fig.9Power density and current density of CP-1，CP-5，and commercial CPatdifferenthumidity

如圖9（b）所示，當相對濕度為 30% 時，CP-5的極限電流密度和極限功率密度分別為 1.28A/cm² 和330.7mW/cm² ，相比CP-1分別下降了 11.1% 和 21.8% 。此時商業CP的極限電流密度和極限功率密度分別為1.28A/cm² 和 402.0mW/cm² ，與CP-5相比，二者極限電流密度相同，極限功率密度提高了 21.6% 。

經過TPU界面改性的CP在高濕度條件下具有更加優越的性能表現，原因在于CP-5的大尺寸孔徑在排水過程中具有更高的效率，并且CP-5的表面接觸角大于CP-1，因此在高濕度條件下能夠及時排出多余的水分。氣體在傳輸過程中一般會優先穿過阻力較小的大孔，而生成的水會淹沒小孔，導致水淹現象的發生]。與CP-5相比，CP-1的孔徑尺寸分布更加集中（圖5（b）），在低濕度條件下，水的產生主要來自三相反應，燃料電池運行過程中處于相對缺水狀態，因此CP-5的大尺寸孔徑和疏水性優勢降低，并且由于CP-1的孔徑結構能夠保證反應氣體的持續有效傳輸，所以燃料電池性能優于CP-5。

3結論

本研究使用聚氨酯（TPU）對碳紙（CP）的界面結合強度進行調控以實現CP韌性的提升，詳細探究了TPU質量分數對CP性能的影響，并對改性CP的應用性能進行了驗證。

3.1隨著TPU用量的增加，碳纖維與樹脂碳之間的界面結合強度逐漸下降，原因在于TPU能夠對碳纖維表面溝壑進行填充以及減少酚醛樹脂的結合位點，從而降低了碳纖維與樹脂碳之間的機械嚙合強度。3.2當TPU質量分數為 49.8% 時，碳纖維與樹脂碳的界面結合強度適中，CP的斷裂韌性相比于未改性的CP提升了 99.8% ，韌性的提升主要得益于纖維與基體的脫結合現象。

3.3TPU的應用提高了CP的平均孔徑和透氣性，對CP的表面接觸角和導電性影響不大，其中CP-5的燃料電池性能與商業CP的性能持平，優于未改性的CP。

CP的韌性已經得到越來越廣泛的關注，隨著氫能源汽車的快速發展，質子交換膜燃料電池的需求不斷提升，降本增效是CP大規模應用發展的重要方向。提高CP的韌性對于降低損耗、提高CP的耐久性具有積極意義。通過界面調控改善碳纖維與樹脂碳的界面結合強度，充分發揮纖維在材料組成中的強韌化作用是改善CP韌性的有效途徑，本研究為CP的強韌化改性提供了借鑒和指導。

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（責任編輯：蔡慧）