碳纤维布增强聚酰亚胺基复合材料的制备及其力学和摩擦学性能研究

摘要

聚酰亚胺（PI）制备工艺简单，综合性能优异，是一种广泛用于航空航天、汽车、微电子等领域的先进聚合物材料。然而，纯PI无法满足一些特殊领域对材料力学和摩擦学性能的高标准要求。碳纤维布（CF）增强聚合物基复合材料因具有抗腐蚀抗磨损、降噪减震、比强度高和加工简便等一系列优点，已广泛应用到现代汽车、海洋、航空等领域中。然而，纤维与树脂在模量和结构、热膨胀系数、导热系数等物理性能上存在巨大差异，这将给界面引入不同的应力，使应力传递不均。另外，CF表面缺少活性基团，因此与聚合物基体间界面相容性差，影响了复合材料的耐热性能和机械性能。如何有效的调控CF表面以实现功能化及可靠性，促进应力在聚合物基体与CF之间的传递，优化CF/P I复合材料的强度和摩擦学性能，仍然是一个艰巨的挑战。为了开发轻质高强、抗磨和耐高温的先进聚合物复合材料，本文做出了如下研究： 1 ）利用CF的连续性提高增强相在P I基体中的分散性和应力的传递作用，同时借助多巴胺的高活性特征，在CF表面共价接枝聚多巴胺（P DA）分子层。P DA将丰富的氨基和羟基官能团引入CF，增强了CF的表面活性，使之与P I基体发生共价交联，提高了 P DA-CF/P I 复合材料中基体和纤维的界面相容性。应力和热量沿CF延伸方向连续传输并及时散发。结果证明，P DA-CF/P I复合材料的导热、力学和摩擦性能都有显著提升。 2 ）经P DA修饰之后CF表面的活性基团增多，为了进一步改善CF表面粗糙度，增强其与基体之间的交联度进而提高界面粘合性，通过共沉淀法将β-FeOOH生长在PDA-CF表面。β相羟基氧化铁（β-FeOOH）具有四方晶系结构的特殊形貌，能够将更多P I树脂镶嵌在晶胞间的沟壑和凹槽中，增大了CF表面粗糙度及与P I的接触面积。同时使P I与CF间产生机械互锁，提高界面能，获得良好的基体与碳纤维间的粘合性。结果表明，β-Fe OOH与P DA共同作用在CF上，提高其表面活性。由表面功能化CF与P I基体制备出的Fe OOH-P DA-CF/P I复合材料表现了卓越的热学性能、机械性能、耐磨损性能。 3）使用低温聚合法控制苯胺浓度和反应时间可以获得有序排列的聚苯胺纳米纤维（PAN）。PAN含有与聚苯胺（PA）等量的氨基官能团，生长在CF表面 可以提高CF表面化学活性。同时其纤维结构在CF表面垂直排列，使得CF表面粗糙度增加，增强CF与基体间的相容性。使用PAN改性既能增多CF表面化学键又能改变CF表面形貌。通过对PA-CF和PAN-CF复合材料做出对比研究，结果发现：界面粘结性的提高促使摩擦过程中转移膜的形成。PAN分担了CF承受的外力，两者成为力的共同承载体，因此加入PAN后CF/P I复合材料的抗拉强度和弹性模量出现了明显的变化。另外，PAN-CF/P I复合材料的摩擦系数有稍许增加，抗磨性能提高。

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