“球-棒”状短碳纤维复合增强体及其复合材料制备

界面设计、界面性质一直是复合材料研究的核心内容。在已有的研究中受缺少实验素材影响，在微观层面很难对界面形状进行有效的设计。本项目提出了新型的"球-棒"状短碳纤维复合增强体的表面改性-微观结构设计研究思想。该研究结合氧化改性和电沉积技术，兼顾现有表面改性技术方法引入活性官能团来改善界面性能的优点，同时在纤维表面沉积疏密可控、尺寸可调的金属球，与碳纤维组成复合结构，在复合材料中引入界面形状因素，制备异型复合增强体增强树脂基复合材料，考察微观界面结构对复合材料性能的影响，揭示该种碳纤维复合增强体的强韧化机理，进而丰富完善复合材料界面层理论。

本项目针对短碳纤维界面结合力弱，端部容易引起应力集中，诱发基体裂纹的产生而导致材料失效的科学问题，提出了一种具有异型界面复合材料增强体的制备方法，通过短纤维的形态设计来解决由于纤维长度以及与基体结合较弱所导致的材料性能提高受限的问题，开展了短纤维结构设计、制备与提高材料性能相结合的研究工作。. 首先研究了热处理对短碳纤维表面活性官能团的种类和数量的影响，表面铜还原吸附试验验证了表面活性官能团具有氧化还原活性，碳纤维表面的含氧官能团本身对硫酸铜溶液中的铜离子具有还原作用。电化学测试结果表明，碳纤维表面含氧官能团的增加，可以有效降低启动电化学反应时所需要的沉积电位，进而促使活性官能团位置的铜金属优先形核。. 其次，对棒-球状短碳纤维复合增强体的制备工艺进行了研究，制备不同表面形貌的铜-短碳纤维复合增强体，对沉积机理进行了电化学分析，获得了制备复合增强体的工艺参数范围；选取典型的三种树脂为基体，详细分析了制备工艺，增强体含量等对力学性能的影响。力学性能结果表明，“球-棒”状短碳纤维可以显著提高树脂基复合材料的力学性能；断口形貌分析和有限元模拟均表明，在复合材料中引入异型界面增强体，有利于减少界面剪应力，使材料内部的应力均匀化，避免应力局部集中和裂纹快速扩展，从而提高复合材料的力学性能。. 本项目将短纤维界面结构设计与复合材料性能有机的结合在一起，提出一种新型的“球-棒”状短碳纤维复合增强体的表面改性-微观结构设计思想，使短碳纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能大幅度提高，部分性能甚至超过碳纳米管或碳纳米纤维增强环氧树脂基复合材料，体现了“球-棒”结构短纤维增强体界面设计的的优势，对提高树脂基复合材料力学性能、降低成本具有重要意义。通过本项目的研究，申请国家发明专利2项，发表学术论文6篇，培养博士1名，硕士2名。