纤维填充微孔环氧树脂基复合材料相界面行为及其调控机理的研究

Fiber-filled microcellular epoxy resin composite is of great importance due to its lightweight and high performance. Controlling of the fiber dispersion, distribution and orientation in the composites is a key point. This project study the interfacial phase behavior and controlling of the fiber (carbon fiber, glass fiber, aramid fiber) filled microcellular epoxy resin composites by chemical foaming. The interfacial phase (gas, liquid and solid) behavior will be studied by combination of visualization observation technology and in-situ SEM, TEM measurement. Consequently, the influence of interfacial phase behavior on the evolution of the distribution, dispersion and orientation of the fibers in the microcellular epoxy resin will also be studied. Based on thermodynamic and dynamic principle, with theoretical analysis and dynamic density functional theory simulation calculation, the interfacial phase behavior will be controlled, and finally the distribution, dispersion and orientation of fibers in composites will be controlled. The goal of this study is to provide theoretical understanding and relationship between interfacial phase behavior-interfacial phase controll-dispersion, distribution and orientation of the fibers-performance of fiber filled microcellular epoxy resin composites through illustrating controlling mechanism of interfacial behavior.

纤维填充微孔环氧树脂基复合材料是同时获得轻量化和高性能化复合材料的主要方法之一。体系中纤维分散、分布及取向的调控技术是近年来研究的重点。本项目研究化学发泡模压成型制备纤维（碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维）填充微孔环氧树脂基复合材料的相界面行为及其调控机理。通过动态可视化观察并原位结合TEM、SEM等手段对纤维填充微孔环氧树脂基复合材料气相/液相/固相三相相界面进行结构表征，研究相界面行为对纤维在微孔环氧树脂基复合材料分布、分散及取向演化过程的影响规律；结合界面能计算和纤维填充微孔环氧树脂基复合材料力学性能分析，从热力学、动力学角度对体系中气相/液相/固相三相相界面行为进行调控。确定化学发泡制备纤维填充微孔环氧树脂基复合材料相界面行为的调控机理，构建相界面调控机制→纤维的分散、分布及取向→纤维填充微孔环氧树脂基复合材料力学性能之间关系，为高性能微孔环氧树脂基复合材料的设计提理论指导和依据。

课题以化学发泡真空辅助法，通过模压成型方式制备纤维填充微孔环氧树脂基复合材料，研究体系中气相/液相/固相三相相界面相互间作用与泡孔形核位置选择的关系对纤维填充微孔环氧树脂基复合材料中纤维分散、分布及取向的影响。通过泡孔形成、长大过程的模型建立；可视化动态表征纤维填充环氧树脂基复合材料发泡过程，泡孔的长大、扩散、迁移行为对纤维的分散、分布及取向动态演化过程变化规律；维填充微孔环氧树脂基复合材料力学性能测试。结果表明:化学发泡模压加正空辅助成型制备纤维填充微孔环氧树脂基复合材料，可以实现环氧树脂发泡材料密度的精确控制；通过自制的可视化装置观察环氧树脂发泡过程中，泡孔的变形可以较好地验证泡孔长大泡孔长大对周围树脂的影响范围模型和环向拉伸程度模型的正确性；纤维界面与泡孔的形成长大存在一定的竞争关系，当纤维表面被环氧树脂浸润后，泡孔不易在纤维表明形核长大。同样力学性能测试结果表明，纤维完全浸润在微孔环氧树脂基复合材料的泡壁中，材料具有较好的综合力学性能。在该项目的资助下发表论文12篇，申请专利6件（授权5件），获得中关村绿色矿山产业联盟绿色矿山科学技术奖（一等）。微孔环氧树脂基复合材料作为一种轻质、耐腐蚀、优良的高低温性能等，目前已经成功应用于航空油标显示、换热器中水汽分离的阀芯部件的辅助材料，突破国外在这方面应用的材料长期垄断和封锁。