中南大学周宏明团队研究成果：碳化硅微粉/环氧树脂复合材料热稳定性与力学性能研究
引言
聚合物基复合材料结合了聚合物基体的加工性能与无机填料的增强效果，广泛应用于多个工业领域。环氧树脂（EP）作为一种重要的热固性聚合物，因其优良的机械性能、绝缘性能和粘接性能而被广泛使用。然而，纯环氧树脂存在热稳定性不佳和脆性大等问题，通常需要通过与无机填料复合来改善其性能。
文章基于中南大学周宏明教授团队研究成果及国家管网集团横向课题资助，聚焦于碳化硅（SiC）微粉作为增强体，通过表面改性技术提升其与环氧树脂的界面结合力，从而制备出具有优异热稳定性和力学性能的碳化硅微粉/环氧树脂复合材料。
01、研究背景
随着科技的进步和工业的发展，对材料性能的要求日益提高。特别是在电子、电气、航空航天等领域，材料不仅需要具备优异的力学性能，还需具备良好的热稳定性。
环氧树脂作为一种重要的结构材料，其热稳定性和韧性不足限制了其应用范围。无机填料如碳化硅微粉因其高硬度、高导热性和优异的化学稳定性，被认为是改善环氧树脂性能的理想填料。
然而，无机填料与聚合物基体之间的界面结合力弱，导致填料在基体中的分散性差，进而影响复合材料的整体性能。因此，如何通过表面改性技术提升填料与基体的界面结合力，成为当前研究的热点。
02、创新亮点
（1）表面改性技术的创新应用
本研究创新性地采用“多巴胺+KH550”体系对碳化硅微粉进行表面改性。多巴胺（PDA）因其独特的粘附能力，能在温和条件下在碳化硅表面形成均匀的有机修饰层，而KH550硅烷偶联剂则进一步通过化学键合增强填料与环氧树脂的界面结合力。
（2）多维度性能提升
通过系统的实验设计，本研究不仅提高了碳化硅微粉在环氧树脂中的分散性，还显著提升了复合材料的热稳定性和力学性能。热重分析显示，改性后的复合材料在氮气和空气中的T95%温度分别提升了最高27 ℃，动态力学分析则表明复合材料的硬度、储能模量和玻璃化转变温度均随填料含量增加而显著提高。
（3）微观结构与宏观性能的关联分析
本研究通过SEM、FT-IR、XRD等现代分析技术，深入探讨了表面改性对碳化硅微粉分散性、界面结合力及复合材料微观结构的影响，进而揭示了这些微观结构变化如何影响复合材料的宏观性能，为高性能复合材料的制备提供了理论依据。
03、图文展示
图2 碳化硅微粉处理前（a）、（b）和处理后（c）、（d）的SEM图；（e）碳化硅微粉处理前后以及处理剂的红外图谱
Fig.2 SEM images of silicon carbide powder before（a）、（b） and after （c）、（d） treatment; （e）infrared spectra of silicon carbide powder before and after treatment as well as the treatment agent
图3 碳化硅微粉在环氧基体中的分散情况：(a) 0%，(b) 10%，(c) 10%-gai，(d) 20%，(e) 20%-gai，(f) 30%，(g) 30%-gai，(h) 40%，(i) 40%-gai。
Fig.3 Dispersion of SiC micro-powder in epoxy matrix: (a) 0%，(b) 10%，(c) 10%-gai，(d) 20%，(e) 20%-gai，(f) 30%，(g) 30%-gai，(h) 40%，(i) 40%-gai
图4 SiC微粉/环氧树脂复合材料：(a) XRD图；(b)-（e) 氮气环境下的热稳定性；(f)-（i) 空气环境下的热稳定性。
Fig.4 SiC powder/epoxy resin composite material: (a) XRD diagram; (b)-（e)Thermal stability under nitrogen environment; (f)-（i) Thermal stability under air environment
图5 碳化硅微粉/环氧树脂复合材料的硬度 (a)、储能模量(b)-（c)、损耗模量 (d)-（e) 以及损耗因子(f)
Fig.5 Hardness (a), storage modulus E′(b)-（c), loss modulus E"(d)-（e), and loss factor tgδ (f) of SiC micro-powder/epoxy composites
04、结 论
本研究通过“多巴胺+KH550”表面改性技术，有效提升了碳化硅微粉与环氧树脂的界面相容性和结合力，显著改善了复合材料的热稳定性和力学性能。实验结果表明，改性后的碳化硅微粉在环氧树脂中的分散性显著提高，复合材料的热分解温度（T95%）在氮气和空气中分别提升了最高27 ℃，同时硬度、储能模量和玻璃化转变温度也随填料含量增加而显著提高。
这些性能提升主要归因于KH550与环氧基体之间的强化学键作用和应力传递效率的提升。本研究不仅为高性能碳化硅/环氧复合材料的制备提供了可靠的表面改性方法，也为热管理及电子封装等领域的应用提供了新的思路。未来工作可进一步优化改性工艺，探索更高填料含量下的界面行为，以推动该类复合材料在更广泛领域的应用。
引用本文
文章发表于《功能材料》2026年第57卷第3期，欢迎引用本文：
刘宇腾,常维纯,周宏明,等.碳化硅微粉/环氧树脂复合材料热稳定性与力学性能研究[J].功能材料,2026,57(3):37-42.
LIU Y T,CHANG W C,ZHOU H M,et al.Study on the thermal stability and mechanical properties of silicon carbide micropowder/epoxy composite materials[J].Journal of functional materials,2026,57(3):37-42.
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