復(fù)合材料增強(qiáng)體的跨尺度設(shè)計(jì)及其界面增強(qiáng)機(jī)制研究.pdf

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

2、PAMAM/碳纖維跨尺度增強(qiáng)體，納米碳/碳纖維跨尺度增強(qiáng)體，納米碳海綿跨尺度增強(qiáng)體，并對(duì)增強(qiáng)體性能進(jìn)行綜合表征。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　為增加碳纖維與聚合物基體界面剪切強(qiáng)度，本文通過改善碳纖維與聚合物基體潤(rùn)濕，增加碳纖維與聚合物基體化學(xué)連接為途徑，采用化學(xué)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(qiáng)體。采用 XPS判定PAMAM與碳纖維的連接方式為化學(xué)連接，進(jìn)而證明PAMAM增加了碳纖維

3、與聚合物基體化學(xué)連接的途徑。通過表面能的測(cè)試與計(jì)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(rùn)濕。微滴脫粘測(cè)試結(jié)果給出界面強(qiáng)度獲得了69.3%的提升，并可通過 PAMAM的接枝密度實(shí)現(xiàn)界面強(qiáng)度的調(diào)控。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，以PAMAM接枝溶液濃度10-4mol/L為拐點(diǎn)，界面強(qiáng)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(qiáng)的

4、環(huán)氧樹脂內(nèi)聚破壞，而隨PAMAM接枝濃度進(jìn)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(qiáng)度發(fā)生減弱。
　　采用化學(xué)自組裝方法將具有優(yōu)異力學(xué)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(jī)械嚙合能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)納米碳增強(qiáng)體在基體中的均勻分散，進(jìn)而提升復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度。XPS結(jié)果可以證實(shí)，納米碳以PAMAM為媒介，通過化學(xué)鍵接枝到

5、碳纖維表面。碳納米管/碳纖維跨尺度增強(qiáng)體 SEM結(jié)果表明，碳納米管在碳纖維表面實(shí)現(xiàn)了高密度，高均勻度的接枝。同時(shí)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(qiáng)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(cè)試與計(jì)算結(jié)果表明，接枝納米碳后碳纖維與聚合物潤(rùn)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(rùn)濕，同時(shí)提供了有效的機(jī)械互鎖，通過阻止裂紋在界面上的擴(kuò)展而使界面強(qiáng)度分別提升111%與69.2%。同時(shí)，通過控制碳納米管在碳纖維表面接枝的密度可實(shí)現(xiàn)對(duì)界面強(qiáng)度的調(diào)控。
　　以同時(shí)實(shí)現(xiàn)納米碳增強(qiáng)體分散性與界面相容性為途徑，提升納米碳增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料整體力學(xué)性能為目標(biāo)，采用碳納米管氧化切割方法，將化學(xué)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(duì)石墨烯帶海綿還原后比電容進(jìn)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(qiáng) PDMS復(fù)合材料，與純PDMS相比，碳納米管-PDMS復(fù)合材料的強(qiáng)度、模量與韌性分別提升111.6%、460.9%、417.0%。石墨烯帶-PDMS復(fù)合材料的強(qiáng)度、模量