基于静电喷射技术制备碳纳米管增强碳纤维及其增强机理研究

结构缺陷是造成碳纤维实际强度远远低于理论强度主要的因素。本项目以消除碳纤维表面结构缺陷、提高碳纤维的抗拉强度为目标，采用力学性能优异的表面修饰碳纳米管为增强体，通过陷阱辅助电场耦合静电喷射技术，将碳纳米管有效植入碳纤维的表面缺陷内，实现最大限度的填充，然后将其进行热处理处理，制备出高性能碳纳米管增强碳纤维。系统研究碳纳米管改性碳纤维的可控制备技术、碳纳米管增强碳纤维热处理或石墨化过程中结构转变及重组机制、碳纳米管增强碳纤维的结构与性能关系及其在先进复合材料中的应用特性等；建立碳纳米管在多场耦合作用下动力学模型，探明其运动规律，揭示碳纳米管增强碳纤维热处理或石墨化过程中碳纳米管增强碳纤维化学结构、微观及其聚集态结构的变化规律，建立碳纳米管增强碳纤维结构与力学关系模型，阐明碳纳米管增强碳纤维与树脂界面结合作用机制，为研究开发具有自主知识产权的新一代高性能碳纤维提供实验基础和理论支持。

结构缺陷是造成碳纤维实际强度远远低于理论强度最为主要的因素。本项目以消除碳纤维表面结构缺陷、提高碳纤维的物理力学性能为目标，采用力学性能优异的表面修饰碳纳米管为增强体，通过静电喷射技术，将表面修饰碳纳米管植入碳纤维的表面结构缺陷中，制备出高性能碳纳米管增强碳纤维。项目建立了针式静电喷射三维有限元仿真系统，系统研究了丙酮浸泡法和硝酸氧化法两种碳纤维表面脱胶处理，多壁碳纳米管的表面酸化和氨基化功能改性和碳纳米管静电喷射工艺，分析了喷射条件、碳纳米管含量及热处理温度对碳纤维力学性能的影响，并考察了碳纳米管增强碳纤维与环氧树脂复合材料的界面性能。.研究结果表明：纺喷射系统最大电场强度、单位静电力与电压、接收盘半径成正比，与接收距离增加、针管长度成反比；采用硝酸氧化法，在120℃硝酸中回流4h后，可较好地去除碳纤维表面浆料；多壁碳纳米管碳纳米管经酸化或氨化处理后，分散性能大幅提高；以 N，N-二甲基甲酰胺为分散液，以十二烷基苯磺酸钠为表面活性剂，借助超声技术可制备较理想的碳纳米管静电喷射液，其较佳的喷射工艺为：电压：20kV，喷射距离：5cm，挤出速率：5ml/h；碳纤维表面经碳纳米管沉积修饰后，力学性能提升明显，较佳工艺条件下，碳纤维强度可提高52%以上，热处理对碳纳米管增强碳纤维力学性能提高有一定作用；其增强机理主要依靠碳纳米管与碳纤维之间的范德华力和碳纳米管的桥架、物理缠结作用；功能化碳纳米管极大提升了碳纤维与环氧树脂间的浸润性能，改善了碳纤维与环氧树脂材料界面作用，碳纳米管含量为0.15%时，复合材料的层间剪切强度提高了41%。.此外，静电技术也是一种纳米纤维材料的有效制备方法。项目采用静电技术初步探讨了连续的一维纳米碳纤维材料制备技术，为新型碳纳米纤维材料发展提供新的途径。