碳纳米管/碳纤维协同强韧双马来酰亚胺树脂复合材料的构筑及机理研究

项目以被誉为"终极增强材料"的碳纳米管的超高强度和韧性如何在碳纤维聚合物基复合材料中发挥出来这一科学问题为研究目标，提出"协同强韧"复合材料的思想。项目以双马来酰亚胺树脂复合材料为研究对象，分别设计并制备出含碳纳米管 "强韧段"和"活性段"的碳纳米管-双马来酰亚胺嵌段共聚物的基体相，和含活性碳纳米管为"枝"、活性碳纤维为"干"的"枝-干"结构强韧化骨架的增强相，控制加工工艺制备出具有"三相共价相连"特征的微纳结构三相复合材料，研究碳纳米管和碳纤维的含量、分布、三相间共价连接状况、界面状态与三相复合材料力学性能的关系，弄清三相复合材料结构对力学性能影响机制，最终探明碳纳米管/碳纤维对双马来酰亚胺树脂复合材料"协同强韧"机理，打开碳纳米管在聚合物复合材料中发挥超高性能的渠道，开辟突破碳纤维聚合物复合材料强度和韧性极限的新途径，指导微纳结构复合材料的设计与制备，推动纳米及纤维复合材料科学发展。

碳纳米管具有超高强度和模量、极佳的韧性、低密度和高比表面积，一直被认为是“终极增强材料”。但经材料科学工作者十几年的努力，碳纳米管聚合物基复合材料并没有显示出比微米级碳纤维聚合物基复合材料更高的强度和韧性。那么，碳纳米管超高的性能如何在聚合物复合材料中发挥出来？碳纤维聚合物复合材料又如何在强度和韧性等性能方面得以突破？这两个重要科学问题一直是材料科学工作者着力解决的难题。. 项目提出了微纳结构增强材料“协同强韧”是解决这两大科学难题的有效方法。项目基于复合材料结构设计理论，以双马来酰亚胺树脂为基体的高性能复合材料为研究对象，分别设计并制备出了含有“强韧段”和“活性段”的碳纳米管-双马来酰亚胺嵌段共聚物的基体相，和含活性碳纳米管为“枝”、活性碳纤维为“干”的“枝-干”结构强韧化骨架的增强相，通过在制备过程中形成具有“三相共价相连”特征的三相复合材料。进而研究碳纳米管和碳纤维的含量、分布、三相间共价连接状况、界面状态与三相复合材料力学性能的关系，弄清三相复合材料结构对力学性能影响机制。最终探明碳纳米管/碳纤维协同强韧双马来酰亚胺树脂复合材料的机理，实现了碳纳米管和碳纤维的“协同强韧”效应，打开碳纳米管在聚合物复合材料中发挥超高性能的渠道，开辟突破碳纤维聚合物复合材料强度和韧性极限的新途径。项目将共价相连三相复合材料思想拓展到玻璃纤维体系、石墨等纳米颗粒体系、环氧树脂、聚酰亚胺树脂体系等，同时也用此思想开发新型功能复合材料，如吸附复合材料、吸波复合材料体系，构筑出吸附温室气体CO2、吸收电磁波的高效吸附剂，具有优异的性能。. 项目到目前为止已经发表学术论文15篇，获得国家发明专利22项，会议论文2篇。该项目的研究成果为利用微纳复合结构强韧化传统复合材料、并利用三相共价相连思想构筑新型功能复合材料提供实验基础和理论基础。