上浆剂与碳纤维和树脂间竞争反应及其对界面结构与粘结性能的影响机制研究

The interphase of carbon fiber/resin is an extremely important microstructure of the advanced composites, which governs the comprehensive performance of composites and their service behaviors. However, the existing mechanical performance prediction model of interphase is lack of experimental data support at nanometer and molecular scale, due to the complicated mechanism and nanoscale size of the interphase. In response to this key issue, this project aims to reveal the competition and synergetic mechanism among carbon fiber, sizing and resin during the interphase formation by a newly designed experimental method. This method can simulate the environments in the formation process of the carbon fiber/resin interphase. Meanwhile, the varying laws of the functional groups on carbon fiber and the surface energy of carbon fiber along with different temperatures will be investigated, as well as the wettability between fiber and resin. Moreover, the effects of the above competition and synergetic mechanism on the microstructure, composition and distribution will be analyzed by advanced nano- and micro- interphase characterization techniques. Subsequently, the relationships between the interphase structure and the micro- and macro- interfacial properties of carbon fiber/resin composites will be established, so as to extremely optimize the composite performance by adjusting the interphase structure. This project will lay important theoretical and experimental foundations for achieving the optimization design of interphase at molecular level, developing the performance prediction model of interphase and promoting the development of advanced composites.

碳纤维/树脂界面是先进复合材料极为重要的微结构，决定着复合材料的综合性能和服役行为，然而由于界面复杂的作用机制和纳米级尺寸，已有的界面力学性能预测模型缺乏纳米和分子尺度上结构与特性的实验数据支持。针对这一难题，本项目拟以一种模拟界面形成过程中上浆剂与树脂相互作用的实验方法，辅以纤维表面官能团、表面能及纤维与树脂浸润性随处理温度的变化规律分析，揭示界面形成过程中上浆剂与纤维、树脂间化学反应的竞争协同机制；运用先进的界面微纳表征技术，阐明这种机制对界面微结构、化学组成及其分布的影响规律，并在此基础上，建立界面结构及微观特性与复合材料宏微观界面结合之间的关联关系，以期通过调节纤维/树脂界面结构来最大限度地优化复合材料的性能。本项目的开展为实现树脂基碳纤维复合材料界面分子级优化设计、发展界面性能预测模型和推动新型复合材料的设计与开发提供理论和实验依据。

碳纤维/树脂界面是先进复合材料极为重要的微结构，决定着复合材料的综合性能和服役行为，然而由于碳纤维与树脂基体的界面结合较弱且界面作用机制复杂，已有的界面力学性能预测模型缺乏纳米和分子尺度上结构与特性的实验数据支持，影响复合材料综合性能的提升。针对这一难题，本项目拟以一种模拟界面形成过程中上浆剂与树脂相互作用的实验方法，辅以纤维表面官能团、表面能及纤维与树脂浸润性随处理温度的变化规律分析，揭示界面形成过程中上浆剂与纤维和树脂间化学反应的竞争协同机制。研究发现，随碳纤维处理温度的升高，上浆剂与碳纤维表面因电解氧化形成的含氧官能团间的相互反应程度增加，与此同时，这种增加的反应程度也会限制上浆剂分子向树脂基体扩散，降低上浆剂与树脂间的相互反应，尤其在环氧树脂体系更为明显，通过调控上浆剂与碳纤维和树脂间的竞争反应优化了复合材料界面区厚度，并使从碳纤维到树脂的界面区模量呈梯度缓慢变化，单丝环氧复合材料的界面剪切强度提高了71.1%，环氧复合材料层间剪切强度提高了7%，单丝双马复合材料的界面剪切强度提高了43.8%，双马复合材料层间剪切强度提高了6.1%。此外，项目通过不同的模拟手段，即自制含有不同固化剂含量的上浆剂，同样验证了基于上浆剂与碳纤维和树脂间的竞争反应的调控可以实现复合材料界面强度的提高(57.3%)。在此基础上，将竞争反应对复合材料界面性能的调控作用推广于含有纳米粒子界面相的构筑及其对复合材料界面性能的提升方面，通过强/弱界面键合作用的调控使复合材料的界面剪切强度提高了41.3%。本项目的研究成果为实现碳纤维增强树脂基复合材料界面分子级优化设计、发展界面性能预测模型和推动新型复合材料的设计与开发提供理论和实验依据，同时本项目提高复合材料界面性能的手段简单、绿色、高效，非常适宜工业化推广，将扩大碳纤维增强树脂基复合材料在国防和国民经济建设领域的应用。