高性能PBO复合材料的隐身功能化研究

聚苯并唑类聚合物是由芳杂环构成的高度共轭高分子，而碳纳米管则是由片状石墨烯卷成的纳米粒子，具有石墨的优良特性（如耐热、耐腐蚀、传热和导电性好等）和特殊的电磁吸波性能。将两者进行复合，可以在保持聚苯并唑类聚合物基体高性能的同时，还能拓展其在吸波材料领域的应用，为发展结构－隐身性能一体化材料提供理论依据。本申请拟通过选择合适的碳纳米管，首先对其进行有效的官能化处理，然后采用原位聚合方法制备预复合体，再经双螺杆反应挤出和液晶纺丝技术制备碳纳米管/聚苯唑类聚合物复合纤维。研究碳纳米管官能化和复合方法对复合体结构、力学性能与电磁性能的影响，从而获得高性能聚苯并唑类聚合物功能化的规律；同时运用分子模拟的方法进一步解释和证实所得的实验结果，为获得碳纳米管/聚苯并唑类聚合物复合材料隐身功能建立理论基础。

聚亚苯基苯并二噁唑（PBO）聚合物是由芳杂环构成的高分子，而碳纳米管具有石墨的优良特性和特殊的电磁吸波性能。将两者进行复合，可在保持PBO聚合物基体高性能同时，拓展其在吸波材料领域应用。本项目主要研究内容：1. 通过对碳纳米管进行填充改性，研究填充前后的电磁性能和吸波性能。填充改性后的Fe2O3-MWNTs的磁性能相对于多壁碳纳米管（MWNTs）有显著提高。2. 制备系列碳纳米管含量不同的MWNTs/PBO复合材料，研究填充改性对材料吸波性能的影响。结果表明，PBO/Fe2O3-MWNTs相较于PBO和PBO/MWNTs具有更好磁性能，更好地吸收微波。随着Fe2O3-MWNTs含量增加，复合材料的吸波性能表现出增强趋势。3. 采用原位聚合复合法制备不同MWNTs含量的PBO/MWNTs复合材料。随着碳纳米管的加入，PBO的耐热性能有一定提高。PBO与MWNTs之间形成了分子内光致电子转移体系，随π电子离域程度增加，分子共轭程度提高，发生分子内能量转移。4. 对MWNTs进行酸化处理，引入一定数量的羧基功能基团，制备耐热性能和力学性能均得到增强的PBO/MWNTs-COOH复合材料。5. 采用原位聚合复合法制备聚(2,5-苯并噁唑) (ABPBO)/ MWNTs复合材料。验证了活化后的MWNT能均匀地分散在聚合物基体中。随着MWNTs含量的提高，显著提高复合材料的力学性能和耐热性能。同时引起了电子的长程离域，使得极化程度提高，其介电常数也随之增大。6. 通过两步法制备6FPBO/MWNTs复合材料，对复合材料的介电性能进行研究。证明了碳纳米管和聚合物基体是通过化学作用连接在一起的。随着MWNT含量的提高，介电常数和介电损耗均有不同程度的提高。7. 分子动力学模拟研究PBO/MWNTs-COOH复合体系。确定了PBO中的O原子因其电负性不足而无法以形成氢键，仅N原子具备成氢键的能力。论证了PBO中N原子和羧基碳管H原子可以接近到形成氢键的距离范围，从而改善碳管的分散性。研究成果2011年获得教育部自然科学奖二等奖1项。发表学术期刊论文21篇，其中发表在包括《Journal of Materials Chemistry》和和《Polymer》等高水平学术期刊SCI收录论文14篇。研究成果已申请6项国家发明专利（其中已授权2项，公开3项）。已培养毕业研究生5名。