电纺纳米纤维增强复合材料界面结构与相关性能关系研究

纳米纤维增强透光复合材料是一种新型的结构功能性复合材料,具有特异的力学性能和透光性能。鉴于复合材料的性能受制于界面结构，本课题拟研究电纺聚丙烯腈（PAN）纳米纤维增强透光复合材料综合性能与界面层结构之间的本构关系。首先采用静电纺丝技术，通过调整纺丝液性质和纺丝参数，得到直径大小、形貌、取向排列各异的纳米纤维及不织布；然后对PAN纳米纤维采用物理和化学方法进行处理，赋予PAN纳米纤维不同的表面化学结构乃至形成碳纳米纤维；接着将电纺纳米纤维不织布与环氧树脂复合制备透光复合材料。本课题着重研究电纺纳米纤维的物理和化学结构对纤维/树脂界面的形成和结构的影响；界面结构对电纺纳米纤维复合材料宏观性能如力学、热学、电学和透光性的影响；界面结构与界面破坏机理的关系。本课题将有助于我们从理论上了解该新型材料性能与内部结构之间的关系，进而指导设计制造并优化其性能。

纳米纤维增强透光复合材料是一种新型的结构功能性复合材料,具有特殊的力学性能和透光性能。纳米复合材料的结构与增强体纳米纤维的直径大小、表面化学结构和形貌、晶态结构和取向排列、基体化学结构等因素密切相关，它进而影响复合材料的宏观性能。本课题以电纺纳米纤维增强透光复合材料综合性能与界面层结构之间的本构关系为研究对象。采用静电纺丝技术得到了表面化学结构、直径大小、形貌、取向排列可控的纳米纤维及不织布；设计合成了电纺纳米纤维与环氧树脂等基体复合制备透光复合材料以及羟基磷灰石/碳纳米纤维生物医用复合材料，并表征分析了电纺纳米纤维的物理和化学结构与纤维/树脂界面的形成和结构的关系，界面结构对电纺纳米纤维复合材料宏观性能如力学、热学、电学和透光性的影响，以及界面结构与界面破坏机理的关联。研究表明：（1）纳米纤维的直径大小、取向排列的调控可以通过调节纺丝液性质和纺丝设备参数来实现。PAN纳米纤维的最优稳定化条件为在1kN拉力下，将聚丙烯腈纳米纤维膜以2oC/min从室温加热至280oC，保温2h。在该条件下，PAN纳米纤维分子较彻底完成了脱氢及环化反应，即形成了规整的梯形结构。1000oC碳化得到的碳纳米纤维(CNF)具有良好的电导率，且在最佳预氧化条件后碳化所得的CNFs具有最高的电导率，约为20.2±1.2 S cm-1；（2）由于纳米纤维直径远小于400 nm及良好的纤维/基体界面作用，即使纤维含量高达50%，纳米纤维增强复合材料仍然能保持90%以上的透光率，而且材料的透光率不受环境温度及复合材料的基体与纤维折光率的影响。由于纳米纤维的存在，复合材料的拉伸强度和杨氏模量能提高十几倍，且在玻璃态和玻璃态-高弹态转变区的储能模量都能得到显著提高；（3）电纺PAN纤维基CNF经NaOH浓溶液处理后具有良好的亲水性。其表面的羧基与模拟体液的Ca2+螯合成核，引导羟基磷灰石(HAp)晶体的生长，通过这种仿生法合成了3D网络结构的CNFs/HAp复合材料。合成的HAp为含有碳酸根的缺钙型羟基磷灰石，与自然骨组成相似，因而此种复合材料有望用于骨组织工程支架材料。 电纺纳米纤维增强透光复合材料的研究工作已经发表6篇SCI论文。研究成果得到了国内外同行的关注（总计引用66次）。本课题研究使得我们了解了该新型材料性能与内部结构之间的关系，将促进此类材料的设计制造并实现性能优化。