基于纳/微米杂化结构的高性能结构功能复合材料研究

With the large-scale application of continuous fiber reinforced polymer matrix composites in aeronautics, their low electrical & thermal conduction properties and low compact toughness can not meet the high performance requirements of the airplane during lightning and compact damages. Therefore, this project aims to develop a novel function-integrated structural composite using nano/micrometer hybrid structures and functionalized interleaf technology. The novel composite possesses simultaneously ultra-high electrical and thermal conductivities along with high compact toughness. In the composite structure, one kind of high performance hybrids-carbon nanotubes/carbon fiber replace commonly used carbon fibers to serve as intralaminar multifunctional reinforcements, and a multifunctional thin layer composed of functional nanomaterials loaded on a thermoplastic film will be interleaved in the interlaminar polymer-rich zone. A detailed study will be conducted on the influence of the structure and properties of various nano/micrometer hybrids on the mechanical properties and electrical and thermal conductivities of the composites. This layered composites involved multiple reinforcing mechanisms determined by the coupling interactions among multiscale materials, hybrid structures, interfaces and phases. The different mechanisms in micro and macro scale will be systematically studied by experimental and simulation ways, in order to finally make clear the composition-structure-property relationships of the novel structural composites. This kind of high-performance function-integrated structural composites is greatly desired to improve the airplane security, therefore they will have huge application potential in aeronautics.

随着纤维增强树脂基复合材料在航空飞机上的大量应用，其低导电导热和低抗冲击损伤性能与飞机抗雷电抗撞击等失效所需的高性能要求之间的矛盾变得日益突出。本项目采用纳/微米杂化结构和功能化增韧插层技术来制备同时具有高导电导热性能和高损伤韧性的新型结构功能复合材料。其中，高性能的碳纳米管/碳纤维杂化结构替代碳纤维作为层内多功能增强体，而表面附载纳米功能材料的热塑性增韧薄膜作为多功能插层 “离位”改性复合材料层间性能。本项目将系统研究纳/微米杂化体和功能插层的结构和性能与复合材料的力学、导电导热等性能之间的关系，将实验和计算机模拟相结合，从微观和宏观多个尺度来研究多元材料、杂化结构、界面以及相耦合共存的层状复合材料的导电、导热、增韧和增强机理，最后建立复合材料的“组分-结构-性能”关系。这种高性能的结构功能复合材料对于提高飞机的安全性能具有十分重要的意义，在航空领域将有非常广泛的应用前景。

随着纤维增强树脂基复合材料的大量应用，对其导电导热性能提出了更高的要求。如何在保持其力学性能的同时，进一步提高现有复材的功能特性，也成为关注的焦点之一。本项目提出采用碳纳米管（CNTs）/碳纤维（CF）杂化结构替代碳纤维作为增强体，多功能插层 改性复合材料层间，来构建结构功能一体化复合材料。项目主要研究内容包括：CNTs /CF杂化体的制备、结构优化和性能表征；多功能热塑性插层的结构和性能优化；复合材料的制备及结构和性能测试；以及相关机理的研究。通过系列的实验和分析研究发现：（1）化学气相沉积方法（CVD）可以有效地在CF表面生长CNTs，通过调节不同的CVD参数，可以对CNTs的形貌和密度进行调控。在优化后的实验条件下，原位生长碳管过程的化学气氛和高温条件并不会对纤维造成损伤；（2） 采用功能化导电插层可以提高复合材料的电导率和韧性，其提升程度与插层热塑性膜的性能以及导电附载体的量和均匀程度密切相关；（3）采用碳纳米管/碳纤维杂化体作为增强体制备的复合材料，其导电性能优于功能插层复合材料，相比于原始纤维复合材料，在厚度方向上的电导率提升1000-10000倍。进一步在层间改性可以使复合材料厚度方向的电导率再提升2-3倍；在完全浸润条件下，原位生长碳纳米管可以增强碳纤维和基体树脂的界面结合力以及层间结合性能；（4）碳纳米管的引入，对树脂的浸润和固化产生一定的影响，容易形成缺陷；（5）要充分发挥碳纳米管/纤维杂化体和导电插层的协同作用，还需要进行更加深入细致的研究，解决众多难题，如杂化体结构和均匀性的精确控制、复合材料成型工艺的优化、杂化体的排布取向、有效降低缺陷水平，等。.然而该项目作为一项前期探索研究，探索了碳纳米管/碳纤维杂化体和多功能插层为制备高性能结构功能一体化复合材料的潜在可能性，也验证了层内和层间同时改性的相应的技术路线可行性，尤其是明确了一些关键制约因素和条件，为后续加速复合材料的研制和可能应用明确了重点努力的方向。