基于光热效应的PBO纤维复合材料自修复界面的构建及其修复机制研究

In order to solve the problem that it is difficult to detect and heal the interface damage of resin matrix composites, this project studies on the self-healing interface preparation and its mechanism by using PBO fiber composites as the main system. The project introduces nanoscale photothermal conversion materials (PCM) to the interface of PBO fiber composites. Under light irradiation, the temperature of the interface rapidly increases via photothermal effect, which re-fuses the thermoplastic matrix resin (polyoxyethylene, polymethyl methacrylate, polysulfone, polyethersulfone, etc.) and fiber so as to self-heal the interface damage. Specifically, after highly reactive diaryl carbene and diazonium salt are synthesized by diazo chemistry, specific functional groups are introduced to the surface of the fiber by diazo compounds grafting to create ideal surface environment for PCM loading. Then, nanoparticles (nano gold, carbon nanotubes, graphene, etc.) are introduced to the surface of PBO fiber via coating, in-situ growth or ex-situ chemical reaction to construct novel self-healing interface. In this project, we study to what extent/how the novel interface affects the photothermal self-healing properties, interfacial properties and mechanical properties of composite materials. This study contributes to the improvement of the overall performance of the composites by adjusting the interface structure of the PBO fiber/resin matrix at more subtle levels. Moreover, the project has an important significance in terms of improving the service life and performance of advanced resin matrix composites, both from the theoretical and practical perspective.

本项目针对树脂基复合材料界面损伤难以检测及精准修复的问题，以PBO纤维复合材料为主要体系，开展自修复界面构建及其机制的研究。通过将纳米尺度的光热转换材料引入至PBO纤维复合材料界面，光照下经由光热效应迅速提升界面处温度，使热塑性基体树脂(如聚氧乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚砜，聚醚砜等)与纤维重新融合，实现界面损伤的自修复。具体的，利用重氮化学制备高活性双芳基卡宾及芳基重氮盐并对PBO纤维进行表面可控修饰，建立光热转换材料装载的理想表面环境。采用上浆涂覆、原位生长或离位化学反应途径将纳米组员(纳米金、碳纳米管、石墨烯等)引入至PBO纤维表面，构建新型光热自修复界面。研究新型界面对复合材料光热自修复性能、界面性能以及力学性能的促进作用及影响规律，在更加精细的层次上通过调节PBO纤维/树脂基体间的界面相结构来最大限度地优化其综合性能，为最终提高先进树脂基复合材料的使用寿命及性能奠定理论和实践基础。

界面是复合材料特有的组成部分，对复合材料的性能起着决定性的作用，界面损伤修复已成为复合材料长期服役需要解决的关键问题。本项目面向国家重大战略需求，从界面设计与控制入手，设计制备了系列具有光热界面修复功能的PBO纤维复合材料。取得如下创新成果：. 一、建立了基于重氮化学的惰性材料表面可控修饰方法。采用碳卡宾为活性中间体实现了聚乙烯、PBO纤维、石墨烯、碳纳米管等的有机基团或高分子链的表面改性。突破了常规修饰方法效率低、材料本征性能损失大的难关，解决了光热自修复界面构建的核心技术问题。. 二、采用聚多巴胺化学的创新方法，将光热转换剂(BN-PDA，Ag-Cu2S-PDA等)引入至PBO纤维表面，构建了具有界面自修复性能的PBO纤维单丝复合材料。界面损伤修复效率达到80%左右，且可多次重复修复。. 三、建立了多功能界面相的构建方法，通过石墨烯/碳纳米管与MOFs复合，形成了含多纳米组元的界面层，解决了复合材料界面结合性能、抗紫外、光热修复性能同时提高的难题。. 四、针对复合材料的损伤模式复杂的关键难题，将上述创新成果拓展到界面、基体损伤一体化自修复领域。设计并制备了含主客体作用、乙烯酰胺键的自修复环氧树脂；将硅氧硅键同步引入至纤维表面及树脂基体中，制备了一体化自修复PBO纤维复合材料。. 本项目发表SCI论文20篇，其中5篇为ESI高被引论文，一篇论文入选中国百篇最具影响国际学术论文，负责人入选RSC Top 1% 高被引中国作者。申请国家发明专利8项，已授权5项。项目负责人作为第二主编编著国内外首部专门针对PBO纤维的研究专著《聚对苯撑苯并二噁唑纤维》；参编普通高等教育本科部委级规划教材关于PBO纤维的章节。负责人获省技术发明一等奖(排四)；省自然科学二等奖(排三)。参加全国高分子学术论文报告会2次；参加校神舟论坛2次；与英国牛津大学的Mark Moloney教授、美国科罗拉多大学Wei Zhang教授等建立合作关系。