聚合物刷在碳纤维/环氧树脂复合材料界面的组装及增强、增韧界面结构的构筑

在碳纤维表面接枝含可光交联链段的多嵌段共聚物分子链，通过该分子链在复合过程中的组装，实现界面结构的调控。研究聚合物刷的构筑及其结构、性质与接枝分子链结构的关系，探讨聚合物刷的结构、性质及交联作用对复合材料细观、宏观力学性能及界面破坏行为的影响及其规律。构筑可光交联的特定结构"聚合物刷"，使共聚物中紧邻接枝点的柔性链段在碳纤维表面成膜，为复合材料引入界面柔性层，远离接枝点的链段伸入基体形成"刷毛"，界面柔性层通过接枝的化学键、交联网络的包缠作用及刷毛与环氧树脂的化学键，与纤维及基体间形成牢固的粘结，交联作用可有效提高界面柔性层的内聚强度，从而形成既能有效地传递载荷，又能大量吸收冲击能量的高强度、高韧性界面结构，克服引入界面柔性层时因无法在纤维与基体间形成良好的界面粘结而导致复合材料强度、模量明显下降的弊端，可望为高强度、高韧性碳纤维增强环氧树脂复合材料的开发提供新的途径。

设计可接枝于碳纤维表面的含柔性嵌段共聚物分子链，采用原子转移自由基聚合(ATRP)法合成了设计结构的聚丙烯酸正丁酯-b-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(OH-PnBA-b-PGMA)嵌段共聚物和含可光交联嵌段的(聚丙烯酸正丁酯-co-聚甲基丙烯酰氧乙基丙烯酸酯)-b-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯[(PnBA-co-PMEA)-b-PGMA]。通过自洽场理论及实验研究接枝于碳纤维表面的共聚物分子链在纤维增强环氧树脂界面的组装行为，研究了嵌段共聚物的引入对复合体系的界面粘结强度、界面残余应力及复合材料韧性的影响规律。.研究结果表明，合成的共聚物可接枝于纤维表面，接枝的共聚物在纤维与环氧树脂的复合过程中，柔性链段沉积在纤维表面形成界面柔性层，而另一嵌段与基体环氧树脂的相容性好，参与基体的固化反应，从而在碳纤维与环氧树脂间形成牢固的界面粘结。自洽场理论对界面组装行为的模拟预测结果与实验结果一致，同时展示了嵌段共聚物在纤维表面高接枝密度时的界面结构。柔性嵌段可通过链段运动和形变来松弛环境温度变化所产生的热应力，可有效降低复合材料的残余应力。在非破坏模式下，具有低玻璃化转变温度的柔性界面层通过其链段运动和变形来吸收和耗散能量，使得复合体系的β次级松弛转变峰强度和面积增加，从而提高了复合体系的韧性；在破坏模式下，界面柔性层对应力集中的缓解使得材料破坏更难发生，同时还延长裂纹扩展的途径，耗散更多能量，有效地提高了复合材料的冲击韧性。随着柔性链段长度的增加，界面松弛应力的能力及改善界面韧性能力均增强，但柔性链段过长，由于界面柔性层较低的内聚强度，界面剪切强度降低，界面传递应力的能力下降。在柔性链段中引入可光致交联的结构单元，通过改变光敏基团的含量及紫外光辐射时间，可有效地调节柔性层的交联程度，从而得到内聚强度和形变能力可控的界面层结构。.通过优化共聚物的结构及交联机制的引入，克服引入界面柔性层时导致复合材料强度、模量明显下降的弊端，构筑了一个既能有效、均匀地传递载荷，又能大量吸收外加冲击能量的高强度、高韧性的界面结构,为高强度、高韧性复合材料的开发提供了新的途径。.在国内外学术期刊发表学术论文9篇，国外SCI收录期刊论文8篇；申请中国发明专利8项，已获授权4项；培养研究生已毕业获得学位7人(博士研究生3人，硕士研究生4人)。