高取向高体积含量碳纳米管复合材料的界面性质及力学传载研究

A new style carbon nanotube (CNT) composites with a high CNT volume fraction can be produced by using highly aligned CNT assemblies. The new CNT composites have demonstrated much better mechanical properties than the traditional CNT composites based on the dispersion technique. In highly aligned and high volume fraction CNT composites, CNTs play the major role in loading and transfering the external stresses. There are two types of interfaces: the interface between CNT assemblies at the micrometer scale and the polymer-modified interface within the assembly at the nanometer scale. Therefore, the interfacial dynamical process is totally different as compared to the composites with small amount of dispersed CNTs. In this research, we will perform systematic studies on the interfacial propoerties, mechanism of load transfer, and physical and chemical characteristics of the new CNT composites, at both the micrometer and nanometer scales. Furthermore, we will also develop the experimental method to characterise the different interfaces and the method to improve the structure of CNT assembly. Finally, by improving the production technique to fully ultilize the mechanical properties of CNT, we will achieve the mechanical improvement step by step, making the tensile strength larger than 3.0 GPa.

采用高取向的碳纳米管聚集体可制备得到新型的高体积含量碳纳米管复合材料，比传统离散增强方法得到的复合材料具有更优异的力学性能。高取向高体积含量碳纳米管复合材料主要通过碳纳米管承受和传递外加应力，材料中包含了碳纳米管聚集体间微米级尺度的界面结构以及聚合物基体改性的聚集体内纳米级尺度的界面结构，使得新型碳纳米管复合材料界面微观动力学行为与传统离散增强的复合材料存在显著不同。本项目即针对以上问题，研究高取向高体积含量碳纳米管复合材料中微、纳尺度的界面性能以及力学传载规律，考察复合材料界面的物理和化学作用机制。在此研究基础上发展适用于微、纳界面的试验表征技术，掌握碳纳米管聚集体结构优化方法。最终通过改进复合材料制备技术,实现复合材料力学性能的逐级提高，拉伸断裂强度高于3.0 GPa。

本项目围绕国际上新近发展起来的高取向高体积含量碳纳米管组装结构材料为研究对象，着重针对材料内部微米尺度以及纳米尺度的多级界面，开展结构调制与界面力学传载研究，发展高强度碳纳米管宏观力学材料的制备方法，为牵引碳纳米管在高性能复合材料中的产业技术发展提供关键的技术与理论基础。..本项目取得以下重要结果：一、发展了高取向碳纳米管组装结构材料的制备方法，提高拉伸断裂强度达到3.5 GPa；二、在高体积含量下碳纳米管与树脂基体的复合技术中解决了碳纳米管的聚集问题，使得碳纳米管/双马来酰亚胺复合材料的拉伸强度高于6 GPa；三、揭示出碳纳米管组装材料由丰富的界面结构带来的电－机－热多物性耦合特性；四、通过界面结构的设计发展了动态力学性能可调的碳纳米管组装结构材料，并发展了通过动态方式实现力学增强的新技术；五、发展了碳纳米管组装材料增强增韧以及提高界面剪切的新方法；六、利用高取向碳纳米管材料作为模板，通过与功能纳米粒子的复合，发展了具有光电响应的多功能薄膜材料。..项目组发表相关学术论文17篇，撰写专著3章，申请3项发明专利(其中已授权1项)，并培养博士研究生3名和硕士研究生4名。..此外，在本项目的支持下，项目组成员获得了国家自然科学基金青年基金2项(基金号11404371, 21503267)以及中以国际合作基金1项(基金号51561145008)，为进一步开展碳纳米管复合材料及其产业化应用提供了更为重要的技术支持。