Carbon Fiber Surface Functional Landscapes: Nanoscale Topography and Property Distribution

材料科学 纳米尺度 表面粗糙度 分形维数 复合材料 表面能 表面光洁度 表面改性 纳米技术 粘附 表面张力 化学工程 分形 数学分析 物理 数学 工程类 量子力学
作者
Katarina Adstedt,Filip Stojcevski,Ben Newman,David J. Hayne,Luke C. Henderson,David Mollenhauer,Dhriti Nepal,Vladimir V. Tsukruk
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (3): 4699-4713 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acsami.1c20686
摘要

The ultimate properties of carbon fibers and their composites are largely dictated by the surface topography of the fibers and the interface characteristics, which are primarily influenced by the surface distribution of chemical functionalities and their interactions with the matrix resin. Nevertheless, nanoscale insights on the carbon fiber surface in relationship with its chemical modification are still rarely addressed. Here, we demonstrate a critical insight on the nanoscale surface topography characterization of modified novel carbon fibers using high-resolution atomic force microscopy at multiple length scales. We compare the nanoscale surface characteristics relevant to their role in controlling interfacial interactions for carbon fibers manufactured at two different tensions and two distinct chemically functionalized coatings. We used surface dimple (also known as nanopores) profiling, microroughness analysis, power spectral density analysis, and adhesion and electrostatic potential mapping to reveal the fine details of surface characteristics at different length scales. This analysis demonstrates that the carbon fibers processed at lower tension possess a higher fractal dimension with a more corrugated surface and higher surface roughness, which leads to increased surface adhesion and energy dissipation across nano- and microscales. Furthermore, electrochemical surface modification with amine- and fluoro-functional groups significantly masks the microroughness inherent to these fibers. This results in increased fractal dimension and decreased energy dissipation and adhesion due to the high chemical reactivity in the areas of asperities and surface defects combined with a significant increase in the surface potential, as revealed by Kelvin probe mapping. These local surface properties of carbon fibers are crucial for designing next-generation fiber composites with predictable interfacial strength and the overall mechanical performance by considering the fiber surface topography for proper control of interphase formation.
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