成果简介

碳纤维已经工业化生产了几十年，并广泛用于飞机、赛车或运动器械等的制造。然而，碳纤维对环境刺激没有反应和适应能力，阻碍了这种出色的机械增强材料作为功能材料的广泛使用。本文，长安大学材料科学与工程学院 许培俊副教授团队在《Carbon》期刊发表名为“Color carbon fiber and its discoloration response”的论文，研究证明了碳纤维不仅具有出色的机械性能，而且还具有具有颜色响应性的智能性能。将氧化石墨烯 (GO) 涂覆在碳纤维表面，其中二维 GO 有序堆叠在一起并自组装为层状堆叠结构。这种自组装 GO 薄膜显示出结构颜色，因为堆叠结构类似于一维光子晶体。

具体来说，首次通过真空过滤法均匀表面沉积实现了带有GO一维光子晶体涂层的彩色碳纤维（colored-CF）。我们进一步研究了有色CF的智能颜色响应和相关的着色机制，以及它的微观结构、拉伸机械性能。结果表明，GO涂层可以修复碳纤维的表面缺陷，提高其比拉伸强度和模量。此外，我们发现有色-CF 在不同溶剂、温度和应力下具有有趣的颜色响应特征。我们的方法为智能响应碳纤维复合材料的未来设计提供了灵感。

图文导读

图1。(a)有色-CF真空过滤装置示意图；(b) PVDF 滤膜上的有色-CF；(c) GO纳米片的均匀堆积过程；(d) 原始 CF 的 SEM 图像；(e) 原始 CF 的 AFM 图像；(f) 彩色 CF 的 SEM 图像；(g) 彩色 CF 的 AFM 图像。

图2。(a) 三个不同位置的原始 CF 的拉曼光谱；(b) 三个不同位置的有色-CF 的拉曼光谱。

图3。(a) CF 和彩色-CF 光学图片；(b) coloured-CF的显色示意图；(c) 在彩色-CF 表面上堆叠多层 GO 光子晶体薄膜；(d) GO赝光子晶体薄膜的着色机理；(e) 计算有色-CF 表面上光入射的平均角度。

图4。coloured-CF 的“溶剂-颜色”响应机理图

图5。彩色 CF 的“应力颜色”响应。

小结

本文通过真空抽滤成功制备了基于GO多层结构的结构色CF。通过研究有色碳纤维对溶剂、温度和应力的响应性，实现了有色碳纤维的智能响应。发现有色-CF在不同溶剂蒸气的刺激下会发生颜色变化，而且这种颜色变化过程是可逆的。此外，加热 MgSO4 ·7H 2 O在有色-CF下可以实现有色-CF的循环变色响应。由于GO在高温下可以还原为rGO，因此colored-CF的颜色会逐渐消失。有色CF的“应力-颜色”响应可以通过将有色CF嵌入环氧树脂中并在环氧树脂的两端拉伸来实现。因此，有色CF的颜色变化响应在碳纤维制备的温度、湿度和应变检测器中具有多种潜在应用前景。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.07.039