复合纳米界面相的可控构筑及其对碳纤维复合材料界面强韧化机制研究

Introducing nanomaterials into the interphase of composites to strengthening and toughening has become a research focus in recent years, but lacking of control methods for oriented and ordered distribution of nano-components in interphase results in the complexity of interfacial reaction and difficulty of mechanism study, and limits further play of strengthening and toughening effects. In this project, CNTs are vertically grown on carbon fiber surface. Through chemical modification and grafting polyhedral oligomeric silsesquioxanes(POSS) containing different functional groups and polyamidoamine(PAMAM) dendrimers of different generations on surfaces of CNTs, to form CNTs/POSS(rigid/rigid) and CNTs/PAMAM (rigid/flexible) composite nanostructures on carbon fiber surface, prepare hierarchical reinforcements with controlled orientation and functional groups of CNTs, functional groups of POSS, molecular length and amino amount of PAMAM, and realize the control of interphase nanostructure, modulus gradient and chemical reaction. And investigate the effects of different nanostructures on carbon fiber surface and composite interphase, and reveal its strengthening and toughening mechanisms. Research of the project will provide new ideas of discipline crossing of interface and nano science, and will lay theoretical and practical foundations for further understanding of interfacial theory and improvement of composite performance.

将纳米材料引入复合材料界面以达到增强增韧的效果已成为近年来的研究热点，但由于缺乏纳米组元在界面中定向、有序的控制手段，导致纳米界面作用的复杂性及机理研究的困难性，限制了纳米界面强韧化效应的充分发挥。本项目将CNTs定向生长在碳纤维表面，通过对CNTs进行表面化学修饰并接枝含不同端基的多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）及不同代数的聚酰胺-胺（PAMAM）树枝状大分子，在碳纤维表面构建CNTs/POSS（刚/刚）及CNTs/PAMAM（刚/柔）复合纳米结构，制备出CNTs空间取向、CNTs表面基团、POSS表面基团、PAMAM链长及氨基数量可控的多尺度复合增强体，进而实现复合材料界面微观结构、模量梯度及化学反应可控，并研究不同纳米结构对纤维表面及复合材料界面的影响规律，揭示其界面强韧化作用机制，为界面科学与纳米科学的交叉、界面理论认识的深入及复合材料性能的进一步提高奠定理论和实践基础。

在碳纤维增强树脂基复合材料界面引入纳米材料以改善复合材料界面性能是近年来碳纤维表面改性领域研究的热点。本项目将三种新型纳米材料：碳纳米管（CNTs）、多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）及聚酰胺-胺（PAMAM）树状大分子引入碳纤维表面，详细研究了这些纳米组分对碳纤维复合材料界面性能的影响，经过三年的研究工作，已圆满完成项目的相关研究内容，达到预期目标，取得了如下成果：1、对CVD法沉积CNTs的工艺参数进行了优化，在碳纤维表面沉积了不同物理参数的CNTs。研究发现，优化的涂层可以在高温下保护碳纤维强度不受损失，以Ni为催化剂，在700℃沉积10min的改性效果最优。2、将4种含有不同端基的POSS接枝在碳纤维表面，确定了含环氧端基的POSS对碳纤维复合材料界面改性效果最好，经POSS接枝后，碳纤维表面粗糙度、浸润性和化学活性都大幅度提高。3、将不同代数PAMAM接枝在碳纤维表面，详细研究了不同分子量、不同结构的PAMAM树状大分子对碳纤维表面及复合材料界面性能的影响规律，发现碳纤维表面及其复合材料界面改性效果随着PAMAM代数的增加而逐渐提高。在项目执行期间，发表SCI论文2篇，申请发明专利3项，参加国际会议并作口头报告1次，培养博士生1名，硕士生2名。本项目完成了预定的研究内容，研究成果将陆续发表，并将在相关领域继续开展研究工作，争取取得更大的成绩。