氧化石墨烯接枝碳纤维增强多尺度复合材料的界面增强机理研究

Carbon fiber reinforced epoxy matrix composites have been widely applied in military and industrial areas due to their light weight and high performance. However, the interfacial properties between carbon fiber and resin matrix are weak so that the load could not effectively transfer from matrix to reinforcement. The carbon fiber dose not exert its advantage of the excellent mechanical properties to the most. Based on the previous research results，here we propose to chemically graft graphene oxide with high specific surface area onto carbon fiber using a chemical method, and in-situ synthesize the hierarchical composites. This could remarkably improve the interfacial propertise between carbon fiber and epoxy. The effect of grafting conditions on the density and morphology of grafted graphene oxide will be explored. The in-situ sythesis of hierarchical composite will be digged up. The enhancement mechanism of such hierarchical composite will be studied experimentally and simulatingly. This study will provide theoritical basis for hierarchical composite application.

碳纤维增强树脂基复合材料因其轻质高强的优势而被广泛应用于军事、航空航天及民用领域。然而，由于碳纤维和树脂基体之间界面结合比较弱，载荷不能有效地由基体向增强体传递而影响了碳纤维性能的发挥。针对于这一难题，我们在前期的研究基础上，提出了利用化学的方法将比表面积大，性能优异的氧化石墨烯接枝到碳纤维表面，原位合成多尺度树脂基复合材料，大幅度提高复合材料的界面性能。研究接枝工艺对接枝氧化石墨烯密度及形貌的影响规律，确定氧化石墨烯和碳纤维之间的键合本质，诠释原位合成多尺度复合材料的合成机理。利用实验和模拟的方法探讨该多尺度复合材料的界面增强机理，为该高性能多尺度复合材料的应用提供理论基础。

碳纤维增强树脂基复合材料因其轻质高强的优势而被广泛应用于军事、航空航天及民用领域。然而，由于碳纤维和树脂基体之间界面结合比较弱，载荷不能有效地由基体向增强体传递而影响了碳纤维性能的发挥。针对于这一难题，我们在前期的研究基础上，提出了利用化学的方法将比表面积大，性能优异的氧化石墨烯接枝到碳纤维表面，原位合成多尺度树脂基复合材料，大幅度提高复合材料的界面性能。测试其表面能得知枝化聚乙烯亚胺型的引入使碳纤维表面能增加了90%以上，改善了碳纤维与聚合物基体的浸润性能；结合XPS分析结果、表面能的变化趋势以及微滴脱粘实验的结果，验证了氧化石墨烯的引入使碳纤维与聚合物基体的浸润性能提高了47.08%；进行界面剪切强度测试，接枝氧化石墨烯后，碳纤维与基体的界面强度提升了18.44%。研究接枝工艺对接枝氧化石墨烯密度及形貌的影响规律，确定氧化石墨烯和碳纤维之间的键合本质，诠释原位合成多尺度复合材料的合成机理。利用实验和模拟的方法探讨该多尺度复合材料的界面增强机理，为该高性能多尺度复合材料的应用提供理论基础。.本项目的特色在于材料，力学，化学等多学科的交叉与渗透，先进实验技术与理论模型的结合。材料宏观-细观-微观跨尺度研究的结合，是紧跟学科研究前沿并且有很强应用背景的研究课题。为碳纤维复合材料贮箱与气瓶、大型固体火箭发动机壳体和卫星复合材料结构件等高性能要求的结构件整体性能提高提供全新的途径，也将为我国新型复合材料的发展与军工领域应用提供技术储备。国际上首次提出利用化学方法（引入具有多个功能团的树枝状大分子界面层）将石墨烯接枝到碳纤维表面制备成多尺度增强体；建立此新型复合材料“工艺-微结构-材料性能”之间的关系，阐述界面增强机制；采用的接枝方法不但环保而且制备周期大大缩短；碳纤维树脂基复合材料界面性能得到大幅度提高。