基于热管理理念的结构-热防护一体化碳纳米管复合材料的设计与制备

This project proposed a route for design and fabrication of phthalonitrile-base resin and its carbon nanotube (CNT) composites by adopting inverse functional analysis on the requirements for ultra-strong, anisotropic thermal conductive CNT composites and the pocessability of CNT films. The project is aimed in aeronautic-used structural-thermal protection integrated composites and based on previous ultra-strong carbon nanotube reinforced composites. Molecular modification is used to design reactive diluents and phthalonitrile end-capped hyperbranched poly(arylene ether nitrile) flexibilizer; while research on component structure is studied to obtain resin formula with adequate poccessability and comprehensive performance. Finally, optimized composite fabrication is achieved on structural-thermal protection integrated composites, and the mechanical and thermal performances will be characterized. Such project will develop a new route for structural-thermal protection integrated composites, achieve the multi-functionality of strong CNT composites, which is vital to the aerospace industry in China.

本项目以航天器结构-热防护一体化复合材料为目标，以高强度碳纳米管（CNT）复合材料的研究为基础，采用逆功能化分析手段对高强度-各向异性导热CNT复合材料的性能需求及CNT薄膜的牵伸诱导取向特性进行剖析，设计出一条邻苯二甲腈树脂体系的研究路线，并以优化后的树脂配方为基础进行CNT复合材料的制备。项目中，将通过分子改性手段设计并合成活性稀释剂及邻苯二甲腈基封端超支化聚芳醚腈增韧剂；随后通过树脂组成结构研究，获得满足CNT薄膜牵伸取向工艺需求、固化后热学、力学综合性能优异的树脂配方；最后通过优化复合材料制备工艺实现结构-热防护一体化复合材料的制备并进行综合性能评价。该研究有望为制备结构-热防护一体化的高性能复合材料开辟一条可行的新路径，为实现CNT增强复合材料的多功能化提供基础理论指导，对于满足我国航天事业对特种材料的需求具有重要的基础研究意义，也有着潜在的应用价值。

本项目以航天器结构-热防护一体化复合材料为目标，采用逆功能化分析手段对高强度-各向异性导热CNT复合材料的性能需求及CNT薄膜的牵伸诱导取向特性进行剖析，设计出一条邻苯二甲腈树脂体系的研究路线，并以优化后的树脂配方为基础进行CNT复合材料的制备。具体研究内容包括：. 制备了活性炭负载氧化钙，并用于催化氰基活化的亲核取代反应。该催化体系适应性广、产物纯度高、产率好，为后续邻苯二甲腈单体及聚芳醚腈的开发奠定了良好基础。. 设计并合成了多种含有烯丙基、甲氧基的低熔点邻苯二甲腈单体。研究了其工艺性、固化机理，并对树脂固化物的热性能、力学性能进行了评价。甲氧基的引入将推迟固化反应并轻微降低树脂体系的热性能。而烯丙基的引入对工艺性及热性能均有利。更为重要的是，含有烯丙基的新型邻苯二甲腈树脂体系的冲击韧性最高可达13.63 kJ/m2，这一韧性提升对充分发挥CNT的力学性能十分重要。. 以联苯型邻苯二甲腈同分异构体为起点、单晶X射线衍射为基础、量子力学模拟为手段剖析了该类邻苯二甲腈单体分子晶体中存在的作用形式及其强度，指出pai…pai、CN…pai等作用形式的存在是该类分子熔点较高的主要原因。随后以分子动力学模拟分析了各单体构象转化所需能垒，为单体固化行为及固化物热性能的差异提供了直接证据。通过该研究不仅初步建立了邻苯二甲腈体系的分子工程模型，同时获得了具有优异加工工艺性的单体。.合成了羟基或邻苯二甲腈基团封端的可溶性超支化聚芳醚腈。系统研究了其引入对腈基树脂体系的工艺性、固化机理，及树脂固化物的热性能、力学性能的影响。采用邻苯二甲腈封端超支化聚芳醚腈对工艺性、热性能均有利，更为重要的是，树脂体系的冲击韧性最高可达12.92 kJ/m2，增韧机理研究表明这一组分对充分发挥CNT的力学性能十分重要。. 以上述研究为基础，获得了满足CNT薄膜取向加工需求的腈基树脂。将取向后薄膜热压固化后，薄膜可表现出2.05 – 2.78 GPa的拉伸强度，相应导热性能正在进行中。