碳纳米管接枝碳纤维增强树脂基复合材料的界面增强机理研究

碳纤维增强树脂基复合材料因其轻质高强的优势而被广泛应用，然而由于碳纤维和树脂基体之间的界面结合比较薄弱，在应力作用下界面处容易脱粘，载荷不能有效地由基体向增强体传递从而影响了碳纤维性能的发挥。针对于这一问题，本项目引入界面层设计理论，提出了利用化学的方法将碳纳米管接枝到碳纤维上形成多尺度增强体，即在碳纤维和碳纳米管之间引入表面具有密集官能团的树枝状大分子PAMAM界面层，利用PAMAM界面层将碳纳米管和碳纤维连接在一起，从而得到多尺度碳纤维增强体。在此基础上，提出碳纤维和碳纳米管之间的结合强度测量方法，并且利用实验手段研究接枝碳纳米管对碳纤维和树脂基体之间的界面结合强度的影响规律及作用机理，从而揭示多尺度碳纤维增强树脂基复合材料的增韧机制。这项研究可以进一步发挥碳纤维的性能，为制备出高性能的树脂基复合材料提供理论指导，促进碳纤维增强树脂基复合材料的深层次应用。

碳纤维增强树脂基复合材料因其轻质高强的优势而被广泛应用于军事、航空航天及民用领域。然而，由于碳纤维和树脂基体之间界面结合比较弱，载荷不能有效地由基体向增强体传递而影响了碳纤维性能的发挥。针对于这一难题，我们提出了利用化学的方法将碳纳米管接枝到碳纤维表面制备多尺度增强体，即在本项目研究中采用了聚酰胺-胺(PAMAM)，一种树状结构的大分子来增加修饰碳纤维表面，提高反应活性点，进而提高接枝到碳纤维表面上碳纳米管的数量和均匀性，同时使纤维表面活性官能团数量增加。同时提升增强体与基体的物理结合与化学结合能力，充分发挥碳纤维与碳纳米管的优异性能。我们通过研究发现，碳纤维表面在经PAMAM树枝状大分子改性后，表面能大幅度提升，与树脂基体的浸润性获得改善，通过优化获得了PAMAM树枝状大分子最佳的接枝密度，使界面强度提升了70%，并阐述了PAMAM树枝状大分子对界面的增强机制。通过表征发现，碳纤维表面通过PAMAM改性后，残留大量的氨基官能团，从而实现了碳纳米管在碳纤维表面高密度，高均匀性的接枝，并可通过调控PAMAM接枝浓度来调控碳纳米管的接枝数量。我们通过通过X射线光电子能谱，证明了碳纳米管与碳纤维之间的连接为有效的化学连接。该种碳纳米管接枝碳纤维多尺度结构有效地克服了传统碳纤维复合材料界面薄弱的问题，使界面强度提升了110%，为了探索该高效界面的增强机制，我们利用原位维纳操纵测试系统，测试出了该种方法制备的碳纳米管与碳纤维的接枝力，证明了化学接枝的接枝力远高于普通的物理接触接枝力，这种更强的接枝力在多尺度复合材料在界面破坏的过程中将碳纳米管固定在碳纤维表面，而从基体中拔出，最大的发挥了碳纳米管优异的性能，我们同时通过分子动力学模拟计算，研究了多尺度复合材料的界面破坏模式，利用实验与模拟结果对多尺度复合材料界面破坏机制做出了清楚的阐述。进而使复合材料的整体性能也获得了提高。在该项目支持下发表SCI论文10篇，其中包括顶级期刊《Advanced Materials》一篇，封面报道，碳领域顶级期刊《Carbon》一篇，封面报道，著名期刊《Journal of Materials Chemistry》两篇，一篇封面报道，复合材料领域顶级期刊《Composites Science and Technology》两篇，以及其他著名期刊。授权相关专利3项。