腈基树脂/碳纤维微纳结构自增容复合材料的制备及其界面特性研究

In order to solve the problems that the interface compatibility of is poor and difficult to control for the phthalonitrile-based matrix composites, this project studies on the self-compatibilization interface preparation and its mechanism by using carbon fiber (CF) composites as the main system. This project introduces pahthalocyanine and nanoparticles to the interface of the CF composites. The thermal treatment conditions are tuned to adjust the self-assemble of phthalocyanine molecular on the surface of CF, which will result to a rough interface with reactive groups. Then, the compatibilition between the phthalonitrile matrices and CFs will realize with the chemical bonding and physical entanglement, then, the high-performance phthalonitrile-based composites can be obtained. Specifically, after the acidizing etching, special functional groups are introduced on the surface of CF to create ideal environment for the phthalocyanine loading. Nanoparticles modified phthalocyanine are fabricated and introduced to the surface of CF via coating to construct novel self-compatibilization interface. In this project, we study what extent/how the novel interface affects the compatibilization properties, the interfacial properties and the mechanical properties of the composite materials. This study contributes to the overall performance of the composites by adjusting the interfacial structures of the CF/resin matrix at more subtle levels. Moreover, this project possesses an important significance in terms of improving the overall performance of the resin matrix composites, both from the theoretical and practical perspective.

本项目针对腈基树脂基复合材料的界面相容性差且难以调控的问题，以碳纤维复合材料为主要体系，开展复合材料自增容界面的构建及其界面特性研究。通过将酞菁分子和纳米粒子同时引入至碳纤维复合材料的界面，利用热处理控制酞菁分子的自组装，在复合材料界面处形成带有活性基团的粗糙面，利用化学交联及物理缠结作用实现腈基树脂基体与碳纤维的界面增容目的，制备高性能腈基树脂基复合材料。具体的，采用酸化刻蚀对碳纤维进行表面可控修饰，形成利于酞菁负载的理想表面环境。制备酞菁改性的纳米粒子，通过涂覆上浆的方式将其负载于碳纤维表面，利用酞菁的自组装形成增容界面层,进一步，得到性能改善的腈基树脂基碳纤维增强复合材料。研究新型自增容界面对复合材料的界面增强及力学性能的影响规律，在更加精细的层次上通过调节碳纤维与树脂基体的界面相结构来最大限度的调控复合材料的综合性能，为最终改善复合材料的力学强度奠定理论和实践基础。

碳纤维增强树脂基复合材料因其轻质高强的结构特性，在国防军工及高端民用材料领域得到广泛的应用。然而，碳纤维表面惰性强，难以与树脂基体之间形成较强的界面结合作用，导致树脂基体与纤维的结合面成为复合材料结构强度的薄弱点。如何提高碳纤维与高性能树脂间的界面结合作用成为高性能复合材料设计开发的关键。本项目围绕耐高温腈基树脂基体与碳纤维复合材料的界面相容性问题，开展复合材料自增容界面的构建及其界面特性研究。通过将酞菁分子和纳米粒子同时引入至碳纤维复合材料的界面，利用热效应控制酞菁分子在碳纤维表面的自组装，在纤维表面构筑具有活性基团的粗糙面，同时利用化学键合及物理缠结作用实现腈基树脂基体与碳纤维的界面增容，制备获得高性能腈基树脂基复合材料。采用动态热机械性能及流变学分析对粗糙化的碳纤维与树脂基体的界面增容效果进行评价，研究结果表明，通过酞菁小分子的结构调整、自组装环境条件控制，可以灵活调整酞菁小分子在碳纤维表面的组装形貌；碳纤维的自组装形貌包括粗糙颗粒形貌、粗糙颗粒的分布形式和间距，都对碳纤维与树脂基体的界面增容效果产生显著影响。其中，通过利用联苯型酞菁小分子在碳纤维表面形成的刺状的粗糙表面，表现出最显著的增容效果，制备的复合材料弯曲性能提升约20%，层间剪切强度提升约10%。通过研究新型自增容界面对复合材料的界面增强及力学性能的影响规律，可以在更加精细的层次上通过调节碳纤维与树脂基体的界面相结构来最大限度的调控复合材料的综合性能，为最终改善复合材料的力学强度奠定理论和实践基础。