纤维形状记忆复合材料热增强的界面调控

Using carbon nanotube fibers as the reinforcement for shape memory composites has the advantages of ultra-high tensile strength and anti-shape memory effect interference, and thus carbon nanotube fibers are believed as the ideal material for achieving super shape memory effect such as multi-shape change, 4D printing and bidirectional deformation in the future. However, the thermal conductivity of carbon nanotube fibers is still low at present, which greatly hinders the rapid advance of the shape-changing after cooling and the recovery after heating for the composites. Therefore, it is extremely important to develop ultrahigh thermal conductive fiber-reinforced shape memory composites. Based on the key factor affecting the heat transport, i.e., multi-level interfacial structure of the composites, this research studies the thermal transport enhancement methods on the three-level thermal interfaces between carbon nanotubes, assembled carbon nanotube bundles and carbon nanotube fibers-polymer contacts. By means of molecular dynamics simulation and experimental methods such as interface modification and heat transport measurement, the project mainly discusses the effect of the characteristics (type, concentration, size) o the first-level modification factors (short-range functional groups), second-level factors (metal nanoparticles) and third-level factors (polymers) and other aspects, and further reveals the thermal modulation mechanism for the thermal enhancement in CNT fiber-reinforced shape memory composites. The results will provide theoretical support and technical prototype for the realization of the structure function integration of high-performance fiber-reinforced shape memory composites, and enrich the understanding of thermal transport in nanoscale carbon materials.

采用碳纳米管纤维作为形状记忆复合材料的增强相具有超高拉升强度、抗形状记忆效应干扰等优点，被认为是未来实现多形状变化、4D打印及双向变形等超强形状记忆功效的理想材料。但是目前碳纳米管纤维热导率尚低，极大地阻碍了复合材料冷却赋型和加热回复过程的快速进行，因此研发超高导热纤维形状记忆复合材料极为重要。本课题以影响热输运的关键因素——构成复合材料的多级界面结构为出发点，研究碳纳米管间、组装后的碳纳米管束间、碳纳米管纤维-聚合物间的三级界面热输运的增强方法。借助分子动力学模拟方法和界面修饰以及热输运测量等实验手段，重点探讨一级修饰因子（短程官能团）、二级因子（金属纳米粒子）、三级因子（聚合物）的特性（种类、浓度、尺寸）等多个方面的影响，进而揭示有助于复合材料热增强的界面调控机制。研究结果将为纤维形状记忆复合材料的结构热功能一体化的实现提供理论支撑及技术原型，丰富对纳米碳材料微观热输运机理的认识。

随着新型微纳材料及材料复合技术的发展，纤维增强形状记忆聚合物复合材料应运而生。碳纳米管纤维卓越的力学拉伸特性也使它更适合作为形状记忆聚合物复合材料的增强相。目前影响碳纳米管纤维在复合材料中应用的最大问题是复合后有效热导率较低，直接造成形变回复速率较慢，无法施展多形状变化、4D打印及双向变形等关键性能。因此，发展超高导热碳纳米管纤维是解决这一难题的根本出路。本项目以碳纳米管纤维复合聚氨酯形状记忆材料为研究对象，以宏观热输运性能（单根碳纳米管纤维热导率、复合材料热导率）与微观结构（管束中碳纳米管间、碳纳米管束间和纤维-聚合物分子链间的界面热导）中声子传输规律的关联关系为主线，通过分子动力学模拟和综合谐波法热物性测量，揭示了主导纤维增强形状记忆复合材料热输运的多级界面调控机制，主要研究成果包括：（1）提出了基于纳米基元低频声子共振的新方法调控界面热传递新机制，通过调整基元数量、尺寸及角度来精细调控声子谱；（2）发现CNT-热沉间接触面积增大还会引起低频声子态密度和声子重叠能增加，全面揭示了接触面积对界面热导的作用机制；（3）由此提出了综合利用“纳米基元”+“接触面积”调控低频声子共振的方法，分级调控“分子间力”+“声子共振”实现CNT间界面导热强化，分阶段调控微纳结构实现CNT阵列-热沉界面导热强化，获得了CNT纤维热导率近6倍的提升（表观热导率达到374 W/m K），CNT阵列-热沉界面热导近50倍的提升（界面热导达到4.13 MW/m2 K）。与同类碳纳米管纤维及碳纳米管阵列相比，此结构的轴向/垂向及界面导热性能均达到了国内先进水平。研究过程中还形成了碳纳米管复合纤维制备技术、基于综合谐波法的纳米薄膜及界面热物性测量技术两项关键技术。研究结果为高性能纤维增强形状记忆复合材料的结构功能一体化的实现提供了重要的理论支撑及技术原型。