π-π堆积效应对碳纳米管/聚酰亚胺复合材料界面结构与性能的调控机理研究

By establishing micro- and meso- models, this work investigates the ‘π-π stacking effect’ on carbon nanotube (CNT)/polyimide composite interface, in order to explore the relations between ‘π-π stacking effect’ and composite mechanical performance. Firstly, the relationship between ‘π-π stacking effect’ and interface morphology is studied by establishing the single chain/single CNT model and characterizing the interfacial parameters, such as interaction energy, radical distance function(RDF), gyration radius, etc. Then, the multi-chain models are built on the basis of single-chain model according to the actual number average molecular weight and polyimide structure. The ‘π-π stacking’ formation mechanism and its effect on crystallinity and chain orientation are revealed and evaluated by experimental techniques. Last, the pull-out FEM model is set up based on the crystallinity obtained from multi-chain model and the pull-out simulation is conducted. The simulation results is verified with experimental results conducted by Raman assisted micro-droplet debonding test, revealing the microscopic interaction on macroscopic performance of carbon nanotube composite. It will provide theoretical foundation to interfacial studies on aromatic nanocomposites and material design of high performance composite.

本项目以碳纳米管/聚酰亚胺复合材料界面作为研究对象，从理论角度构建取向碳纳米管/聚酰亚胺复合材料多尺度（微观-介观）模型，阐明 “π-π堆积效应”与复合材料力学性能的关系。首先建立碳纳米管/聚酰亚胺作用的简化模型，借由界面相互作用能、径向分布函数、回旋半径等参数作为考量指标，探索“π-π堆积效应”对界面结构形成的作用行为。然后，基于真实情况下聚酰亚胺数均分子量和凝聚态结构，建立碳纳米管/聚酰亚胺完整模型，研究多链段体系下“π-π堆积效应”在界面的形成机制；结合实验阐明“π-π堆积效应”在界面处对结晶度、链段取向度的影响。最后，以分子动力学模型获得的“π-π堆积效应”与结晶度的关系为桥梁，搭建有限元介观尺度模型用以抽拔模拟，与拉曼光谱辅助微滴脱粘法实验进行验证，最终揭示微观现象对复合材料宏观力学行为的影响，为分析研究芳香族纳米复合材料界面作用，设计高性能纳米复合材料提供理论依据。

碳纳米管复合材料由于其优异的力学、电学、热学性能，在科学领域和工程领域中得到广泛研究和应用。其中，取向碳纳米管复合材料的增强相由于沿复合材料长度方向排列，在提升性能的方面更具优势。由于取向碳纳米管的排布状态和尺度不同于传统颗粒分散的碳纳米管，其与基体的结合机制也存在不同，尤其针对链段内存在大量酰亚胺基团、苯环、杂环的聚酰亚胺基体，其界面作用机制以及复合材料力学性能受到“π-π堆积效应”的影响。因此，基于π-π堆积效应研究其对取向碳纳米管/聚酰亚胺界面结构与性能的调控机理，对于表征界面微观结构和相互作用、提升宏观复合材料性能具有重要意义。.为揭示界面的微观作用对复合材料宏观力学性能的影响，通过原位掠入射广角X射线散射（GIWAXS），小角X射线衍射（SAXS）、岛津EZ-S型拉伸试验机、XRD以及分子动力学模拟研究并分析π-π堆积效应对取向碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的界面结构和宏观力学性能的影响。从界面角度探讨π-π堆积效应对三种取向碳纳米管/聚酰亚胺复合材料断裂强度和模量的作用机理，结果表明取向碳纳米管与聚酰亚胺的界面间的π-π堆积尺寸影响π-π堆积的作用效果，非晶区可以提供更多的位错起始点，形成高承载力的界面，从而影响复合材料的断裂强度。取向碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的模量差异受到碳纳米管与聚酰亚胺界面比表面积的影响，结合分子动力学模拟得到的二者包覆状态和取向度，BPDA-ODA聚酰亚胺和碳纳米管界面因具有较低的比表面积，导致二者之间的界面结合力较弱，更易于造成微观结构缺陷，最终降低复合材料的拉伸模量。.本项目研究π-π堆积效应对复合材料界面性能的调控作用，为分析研究芳香族纳米复合材料界面作用，设计高性能纳米复合材料提供理论依据，这对于揭示共轭聚合物与碳纳米管（CNTs）的界面特征，设计碳纳米管基高性能纳米复合材料的界面具有重要的意义。