碳纤维/聚酰亚胺复合材料分子尺度界面调控及其摩擦学性能研究

Carbon fiber/Polyimide (CF/PI) composite has been widely applied as high-performance lubrication material in aviation, aerospace and other industrial fields, and its tribological property is closely related to interface property of fiber/resin. In this project, a novel method is proposed to improve the tribological property of CF/PI composite in harsh operating conditions by the means of interface control at molecular-scale. The details of the method are as follows: (1) Carbon nanotubes (CNTs) are controllably grafted onto the surface of carbon fiber by using polyamide-amine (PAMAM) macromolecule with multi-amino groups as a bridge, which introduces CNTs to the interface of CF/PI composite. (2) The status of the grafted CNTs on carbon fiber surface is altered by controlling PAMAM macromolecule to optimize the interface bonding of fiber/resin, and accordingly the tribological property of CF/PI composite is improved greatly. Through exploring the influence of interface control at molecular-scale on the tribological property of CF/PI composite, the relationship between micro interface property and macro tribological property of CF/PI composite is established, which will provide scientific theoretical basis and technical guidance for designing and developing high-performance CF/PI composite.

碳纤维/聚酰亚胺（CF/PI）复合材料是广泛应用于航空、航天等工业领域的高性能润滑材料，其摩擦学性能与纤维/树脂界面性质密切相关。本项目通过分子尺度界面调控来优化纤维/树脂界面性质，从而改善CF/PI复合材料的摩擦学性能以适应更为苛刻的运行条件。具体内容为：（1）以多胺基的聚酰胺-胺大分子为“纽带”，在碳纤维表面可控地接枝碳纳米管，将碳纳米管引入CF/PI复合材料界面；（2）通过调控聚酰胺-胺大分子，改变碳纤维表面碳纳米管的接枝状态以优化纤维/树脂界面结合，提高CF/PI复合材料的摩擦学性能。通过探究分子尺度界面调控对CF/PI复合材料摩擦学性能的影响，建立复合材料微观界面性质与宏观摩擦学性能之间的关系，为高性能CF/PI复合材料的设计与制备提供科学的理论依据和技术指导。

碳纤维/聚酰亚胺复合材料（CF/PI）是广泛应用于航空、航天、汽车、机械等工业领域的高性能固体自润滑材料，其摩擦学性能与纤维/树脂界面性质密切相关。本项目结合现有界面理论，采用化学接枝法，以多胺基、易成膜的聚酰胺-胺（PAMAM）大分子为“桥梁”，成功地将碳纳米管（CNTs）可控地引入CF/PI复合材料界面，通过设计、调控复合材料的界面组成和微观结构，优化了复合材料的界面性质，制备了高性能CF/PI自润滑复合材料，并明确了相关界面强化和摩擦学性能增效机制。CNTs主要通过物理吸附、酰胺键、氢键和范德华作用力接枝到CF表面，提高了CF表面粗糙度和活性位点，进而赋予CF与PI间良好的界面相容性；而良好的界面粘附可以有效促进摩擦磨损过程中应力从基体向CF的传递，同时界面处的CNTs不仅可以发挥自身强化作用，而且可以发挥“铆钉”作用，分散界面应力，避免界面破坏，使复合材料在高承载、高速度等苛刻条件下保持良好的减摩抗磨性能。同时，我们对研究工作进行了拓展，采用化学法、原位合成法，在CF/PI复合材料界面引入功能性纳米组元（氧化石墨烯GO和二硫化钼MoS2纳米片），极大地改善了复合材料的减摩抗磨性能，且相应复合材料能够适应苛刻摩擦运行条件，这主要归因于高强韧GO在发挥润滑作用的同时，还可以改善CF与PI的界面性质，有效分散界面应力；界面MoS2纳米片一方面提高了复合材料的界面相容性，实现了应力从基体向纤维的转移，另一方面界面处MoS2可以缓慢释放到磨损表面，降低摩擦和摩擦副间的直接接触，最终赋予复合材料优异的减摩抗磨性能。本研究通过有针对性、可控在纤维和聚合物基体界面引入功能性纳米组元，实现对复合材料界面组成、微观结构的设计、调控，制备出高强、高耐磨碳纤维/聚酰亚胺复合材料，同时阐明了纳米组元在复合材料界面可控引入的相关机制以及对复合材料界面优化、摩擦学性能增效机制，为高性能聚合物基自润滑复合材料的设计、制备提供科学的理论依据和技术指导。