环氧树脂中刚性/粘弹性层叠约束阻尼结构的构筑及其机理研究

The macroscopic properties of the composites are closely related to their micro-structure. The fabrication of high performance and functional materials through the design of micro-structure is a new trend for the preparation of advanced materials. In this study, we attempted to introduce the classical macroscopic damping structure into the micro-structure design of material, which means to construct a micro-scale constrained damping structure in rigid epoxy resins. The rigid-viscoelastic block copolymers will be synthesized via controlled radical polymerization and then incorporated into epoxy resins to achieve alternating rigid/viscoelastic molecular multi-layer constrained damping structure via self-assembly-reaction induced micro-phase separation two step method. The effect of the ratio, content and molecular weight of the block copolymer on micro-structure of the composite will be investigated in order to obtain the key factors to the construction of micro-scale constrained damping structure in the epoxy resins. The correlation between the microscopic structure and macroscopic properties will be highlighted. This work aims at providing an innovative method and theory to prepare universal structure-damping integration composite materials with integral high performance and isotropic properties.

复合材料的微观结构同宏观性能密切相关，通过微观结构设计获得高性能、功能化材料成为制备先进复合材料的新趋势。本项目拟将经典宏观约束阻尼结构引入材料微观结构设计，在刚性环氧树脂基体中构建微观层叠约束阻尼结构。采用可控自由基聚合制备刚性-粘弹性大分子链嵌段共聚物，将其引入环氧树脂基体中，通过自组装-反应诱致相分离两步法，实现嵌段共聚物在树脂基体中形成以刚性链段聚集相为约束层，粘弹性链段聚集相为阻尼层的层叠约束阻尼结构，发挥其微观约束阻尼结构效应，获得一种新型结构阻尼一体化复合材料。系统研究嵌段共聚物组分比、含量及分子量对复合体系形态结构演变进程的影响，获得层叠约束结构形成的关键控制因素，探讨微观层叠约束阻尼结构对材料宏观力学和阻尼性能的影响及规律，为制备性能优异、各向同性且适用性广的新型结构阻尼一体化复合材料提供新的方法和理论依据。

发展兼具高力学性能和阻尼性能的新型结构阻尼一体化材料成为近年来复合材料发展的重要方向之一。针对传统改性技术无法兼顾环氧树脂力学性能和阻尼性能的弊端，本项目提出利用嵌段共聚物在环氧树脂中自发构筑刚柔交替的微观层叠约束结构实现材料结构阻尼一体化的新思路。系统研究了嵌段共聚物分子量、组分比、添加量等因素对材料纳米结构形态的影响，首次绘制了嵌段共聚物与纳米结构形态的对应关系图；深入研究了环氧树脂固化过程中纳米结构的形成演变过程，获得了构建层叠约束结构的关键控制因素，建立了材料中有序纳米结构的原位可控构筑新技术。利用这一技术，通过在环氧树脂中构筑纳米核壳结构、纳米囊泡和类章鱼状结构，成功实现了极低嵌段共聚物添加量下材料强度和韧性的同步显著提升。当嵌段共聚物浓度为1.75wt%时，含类“章鱼状”结构、纳米核壳、纳米囊泡结构环氧树脂的拉伸强度分别达到93.57、87.57和81.54MPa，为纯环氧树脂的1.31、1.23和1.14倍；断裂韧性分别达到137.43、145.39和129.58 MPa*m1/2，为纯环氧树脂的 2.92、3.09和2.76倍。在此基础上，通过在环氧树脂中构筑柔性纳米结构，使复合材料的拉伸强度、断裂韧性及有效阻尼温域分别提升至纯环氧树脂的1.31倍、1.50倍和1.64倍；通过在环氧树脂中构筑刚性纳米结构使复合材料保持强度的同时阻尼温域由28.02℃拓宽至到52.95℃，并首次提出“纳米梯度增塑”阻尼新机制。本项目突破了传统技术强度和阻尼性能不能兼顾的瓶颈，利用材料中有序纳米结构的原位可控构筑新技术实现了材料的高效强韧化和结构阻尼一体化设计，为未来高性能、结构功能一体化新材料的设计制备提供了新方法和扎实的理论基础。