复合材料增强体的跨尺度设计及其界面增强机制研究

摘要

现代航空航天技术迅猛的发展，对材料的要求也愈加苛刻。应对这一需求，材料的复合化成为高性能新型材料最为重要的发展方向。作为复合材料的主要体系之一——聚合物基复合材料在航空航天领域发挥着巨大的作用。而在对复合材料性能的进一步追求中，增强体与基体的界面以及增强体的分散成为复合材料性能提升的瓶颈所在。在本文中，基于跨尺度设计思想来设计复合材料增强体的物理与化学微结构，以同时解决界面问题与分散问题为途径，提升聚合物基复合材料性能为目标，设计与制备PAMAM/碳纤维跨尺度增强体，纳米碳/碳纤维跨尺度增强体，纳米碳海绵跨尺度增强体，并对增强体性能进行综合表征。
　　本文的主要研究内容如下：
　　为增加碳纤维与聚合物基体界面剪切强度，本文通过改善碳纤维与聚合物基体润湿，增加碳纤维与聚合物基体化学连接为途径，采用化学自组装方法制备了聚酰胺-胺树枝状大分子(PAMAM)/碳纤维跨尺度增强体。采用 XPS判定PAMAM与碳纤维的连接方式为化学连接，进而证明PAMAM增加了碳纤维与聚合物基体化学连接的途径。通过表面能的测试与计算证明了PAMAM的引入使碳纤维表面能增加了30％-100%，改善了碳纤维与聚合物基体的润湿。微滴脱粘测试结果给出界面强度获得了69.3%的提升，并可通过 PAMAM的接枝密度实现界面强度的调控。同时发现，以PAMAM接枝溶液浓度10-4mol/L为拐点，界面强度随PAMAM接枝浓度先增高后降低，这是由于随PAMAM接枝密度的提高，界面破坏模式由碳纤维与环氧树脂间较弱的粘接破坏转变为较强的环氧树脂内聚破坏，而随PAMAM接枝浓度进一步提高，PAMAM分子相互堆叠，破坏模式由环氧树脂内聚破坏转变为PAMAM分子间克服范德华力的分离，因此界面强度发生减弱。
　　采用化学自组装方法将具有优异力学性能的纳米碳(碳纳米管、氧化石墨烯)接枝到碳纤维表面，用以增加碳纤维与聚合物基体的机械啮合能力，同时实现纳米碳增强体在基体中的均匀分散，进而提升复合材料的界面结合强度。XPS结果可以证实，纳米碳以PAMAM为媒介，通过化学键接枝到碳纤维表面。碳纳米管/碳纤维跨尺度增强体 SEM结果表明，碳纳米管在碳纤维表面实现了高密度，高均匀度的接枝。同时可通过控制PAMAM的接枝量来调整碳纳米管的接枝密度。氧化石墨烯/碳纤维跨尺度增强体 SEM结果表明其具有两种接枝方式：(1)氧化石墨烯边缘与碳纤维表面连接；(2)氧化石墨烯部分铺展在碳纤维表面，另一部分延伸出碳纤维表面，相互支撑搭接。表面能测试与计算结果表明，接枝纳米碳后碳纤维与聚合物润湿性能获得改善。由于碳纳米管与氧化石墨烯的引入改善了碳纤维与环氧树脂的界面润湿，同时提供了有效的机械互锁，通过阻止裂纹在界面上的扩展而使界面强度分别提升111%与69.2%。同时，通过控制碳纳米管在碳纤维表面接枝的密度可实现对界面强度的调控。
　　以同时实现纳米碳增强体分散性与界面相容性为途径，提升纳米碳增强聚合物基复合材料整体力学性能为目标，采用碳纳米管氧化切割方法，将化学气相沉积制备的碳纳米管海绵模版原位转变为石墨烯带海绵。石墨烯带海绵的SEM与TEM结果给出，碳纳米管已转变为石墨烯带。经氧化切割，海绵比表面积由62.8 m2/g上升到113.1 m2/g，使其比电容由15.2 F/g上升至92.6F/g，在对石墨烯带海绵还原后比电容进一步上升至114.9F/g，并表现出良好的循环充放电稳定性。通过液相灌注，可制备纳米碳海绵增强 PDMS复合材料，与纯PDMS相比，碳纳米管-PDMS复合材料的强度、模量与韧性分别提升111.6%、460.9%、417.0%。石墨烯带-PDMS复合材料的强度、模量及韧性分别上升143.8%、329.3%、962.2%。分析并阐述了纳米碳海绵增强聚合物基复合材料的增强机制。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究目的与意义

1.2复合材料界面理论与界面结合类型

1.3 碳纤维跨尺度增强体的研究进展

1.4 碳纳米管跨尺度增强体的研究进展

1.5 石墨烯带的研究进展

1.6 聚酰胺-胺树枝状大分子的研究进展

1.7 本文的主要研究内容

第2章 实验材料及实验方法

2.1 实验原料及实验设备

2.2跨尺度增强体的制备方法

2.3 跨尺度增强体的本体性能表征

2.4 跨尺度增强体的界面与力学性能表征

第3章 PAMAM修饰碳纤维跨尺度增强体界面性能与增强机制研究

3.1 PAMAM/碳纤维跨尺度增强体的设计

3.2 PAMAM/碳纤维跨尺度增强体表面化学状态表征

3.3 PAMAM/碳纤维跨尺度增强体表面形貌

3.4 PAMAM/碳纤维跨尺度增强体表面润湿性能表征

3.5 PAMAM/碳纤维跨尺度增强体界面强度表征

3.6 PAMAM/碳纤维跨尺度增强复合材料界面增强机制研究

3.7 本章小结

第4章 纳米碳接枝碳纤维增强体跨尺度设计及其界面增强机理研究

4.1 碳纳米管/碳纤维跨尺度增强体的设计

4.2 碳纳米管/碳纤维跨尺度增强体本体性能表征

4.3 碳纳米管/碳纤维跨尺度增强体界面强度表征

4.4 氧化石墨烯/碳纤维跨尺度增强体的设计

4.5 氧化石墨烯/碳纤维跨尺度增强体本体性能表征

4.6 氧化石墨烯/碳纤维跨尺度增强体界面强度表征

4.7 纳米碳/碳纤维跨尺度增强复合材料界面增强机制

4.8 本章小结

第5章 纳米碳海绵及其复合材料微观结构与性能研究

5.1 纳米碳海绵的跨尺度设计

5.2 碳纳米管海绵的本体性能表征

5.3 石墨烯带海绵的本体性能表征

5.4 纳米碳海绵跨尺度增强复合材料的制备与表征

5.5 纳米碳海绵跨尺度增强体的增强机制研究

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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