復合材料增強體的跨尺度設計及其界面增強機制研究.pdf

1、現(xiàn)代航空航天技術(shù)迅猛的發(fā)展，對材料的要求也愈加苛刻。應對這一需求，材料的復合化成為高性能新型材料最為重要的發(fā)展方向。作為復合材料的主要體系之一——聚合物基復合材料在航空航天領域發(fā)揮著巨大的作用。而在對復合材料性能的進一步追求中，增強體與基體的界面以及增強體的分散成為復合材料性能提升的瓶頸所在。在本文中，基于跨尺度設計思想來設計復合材料增強體的物理與化學微結(jié)構(gòu)，以同時解決界面問題與分散問題為途徑，提升聚合物基復合材料性能為目標，設計與制備

2、PAMAM/碳纖維跨尺度增強體，納米碳/碳纖維跨尺度增強體，納米碳海綿跨尺度增強體，并對增強體性能進行綜合表征。
　　本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　為增加碳纖維與聚合物基體界面剪切強度，本文通過改善碳纖維與聚合物基體潤濕，增加碳纖維與聚合物基體化學連接為途徑，采用化學自組裝方法制備了聚酰胺-胺樹枝狀大分子(PAMAM)/碳纖維跨尺度增強體。采用 XPS判定PAMAM與碳纖維的連接方式為化學連接，進而證明PAMAM增加了碳纖維

3、與聚合物基體化學連接的途徑。通過表面能的測試與計算證明了PAMAM的引入使碳纖維表面能增加了30％-100%，改善了碳纖維與聚合物基體的潤濕。微滴脫粘測試結(jié)果給出界面強度獲得了69.3%的提升，并可通過 PAMAM的接枝密度實現(xiàn)界面強度的調(diào)控。同時發(fā)現(xiàn)，以PAMAM接枝溶液濃度10-4mol/L為拐點，界面強度隨PAMAM接枝濃度先增高后降低，這是由于隨PAMAM接枝密度的提高，界面破壞模式由碳纖維與環(huán)氧樹脂間較弱的粘接破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檩^強的

4、環(huán)氧樹脂內(nèi)聚破壞，而隨PAMAM接枝濃度進一步提高，PAMAM分子相互堆疊，破壞模式由環(huán)氧樹脂內(nèi)聚破壞轉(zhuǎn)變?yōu)镻AMAM分子間克服范德華力的分離，因此界面強度發(fā)生減弱。
　　采用化學自組裝方法將具有優(yōu)異力學性能的納米碳(碳納米管、氧化石墨烯)接枝到碳纖維表面，用以增加碳纖維與聚合物基體的機械嚙合能力，同時實現(xiàn)納米碳增強體在基體中的均勻分散，進而提升復合材料的界面結(jié)合強度。XPS結(jié)果可以證實，納米碳以PAMAM為媒介，通過化學鍵接枝到

5、碳纖維表面。碳納米管/碳纖維跨尺度增強體 SEM結(jié)果表明，碳納米管在碳纖維表面實現(xiàn)了高密度，高均勻度的接枝。同時可通過控制PAMAM的接枝量來調(diào)整碳納米管的接枝密度。氧化石墨烯/碳纖維跨尺度增強體 SEM結(jié)果表明其具有兩種接枝方式：(1)氧化石墨烯邊緣與碳纖維表面連接；(2)氧化石墨烯部分鋪展在碳纖維表面，另一部分延伸出碳纖維表面，相互支撐搭接。表面能測試與計算結(jié)果表明，接枝納米碳后碳纖維與聚合物潤濕性能獲得改善。由于碳納米管與氧化石墨

6、烯的引入改善了碳纖維與環(huán)氧樹脂的界面潤濕，同時提供了有效的機械互鎖，通過阻止裂紋在界面上的擴展而使界面強度分別提升111%與69.2%。同時，通過控制碳納米管在碳纖維表面接枝的密度可實現(xiàn)對界面強度的調(diào)控。
　　以同時實現(xiàn)納米碳增強體分散性與界面相容性為途徑，提升納米碳增強聚合物基復合材料整體力學性能為目標，采用碳納米管氧化切割方法，將化學氣相沉積制備的碳納米管海綿模版原位轉(zhuǎn)變?yōu)槭Ш＞d。石墨烯帶海綿的SEM與TEM結(jié)果給出，碳

7、納米管已轉(zhuǎn)變?yōu)槭?。?jīng)氧化切割，海綿比表面積由62.8 m2/g上升到113.1 m2/g，使其比電容由15.2 F/g上升至92.6F/g，在對石墨烯帶海綿還原后比電容進一步上升至114.9F/g，并表現(xiàn)出良好的循環(huán)充放電穩(wěn)定性。通過液相灌注，可制備納米碳海綿增強 PDMS復合材料，與純PDMS相比，碳納米管-PDMS復合材料的強度、模量與韌性分別提升111.6%、460.9%、417.0%。石墨烯帶-PDMS復合材料的強度、模量