利用外场构筑具有多尺度、三维增强结构的碳纳米管改性连续碳纤维增强环氧树脂复合材料及其性能研究

In recent years, carbon nanotubes become the new concerns in the research field of traditional continuous fiber reinforced polymer composite materials. Currently, the research with respect to design and control of multi-scale three-dimensional structure of continuous carbon fiber/epoxy resin composites containing carbon nanotubes by using external magnetic field, however have ever not been reported. To improve the delamination of continuous carbon fiber reinforced epoxy resin composites on purpose, for the first time, in this project we proposed a proposal to in situ produce one kind of monodispersed magnetic iron oxide nanoparticle coated carbon nanotubes dispersed well in epoxy resin by pyrolysis of ferric acetylacetonate in epoxy resin containing carbon nanotube using solvothermal method. The synthesis process conditions and basic principle with respect to carbon nanotubes which can be aligned in epoxy resin under a low magnetic field of 1 Tesla below, are expected to be obtained. For the first time, we proposed that, under a magnetic field or magnetic field/fluid field, carbon nanotube can be oriented between laminates of continuous carbon fiber reinforced epoxy resin to obtain a three dimensional and multi-scaled enhancing structure which can significantly improve interlaminar shear strength and interlaminar toughness of the composites, and alignment control mechanism and reinforcement mechanism and model of carbon nanotube in continuous fiber reinforced epoxy composites are also expected to be obtained.

近年，碳纳米管在连续纤维增强高分子复合材料研究领域内又成为了新的关注点，但目前利用外加磁场对碳纳米管改性连续碳纤维/环氧树脂进行多尺度立体结构设计和控制的研究还未见报道。本项目以改善连续碳纤维增强环氧树脂复合材料的分层失效问题为目的，拟首次采用溶剂热法使三乙酰丙酮铁在包含有碳纳米管的环氧树脂中热分解，原位合成在环氧树脂中良好分散的单分散磁性纳米氧化铁包覆碳纳米管，获得在小于1特斯拉的弱磁场下能够在环氧树脂中发生定向排列的改性碳纳米管的合成工艺条件和基本机理；拟首次研究利用磁场作用和磁场/流体场协同作用在连续碳纤维增强环氧树脂中的层间形成碳纳米管的有序定向排列，得到三维、多尺度的增强结构，使复合材料的层间剪切强度、层间韧性能够得到大幅度提高，获得碳纳米管在连续碳纤维增强环氧树脂复合材料中定向排列的控制机制和增强机理、数学模型。

近年，碳纳米管、石墨烯等纳米材料在连续纤维增强高分子复合材料研究领域内已成为了新的关注点，但利用外加磁场辅助增强连续碳纤维/环氧树脂进行多尺度立体结构设计和控制的研究还未见报道。本项目以改善连续碳纤维增强环氧树脂复合材料的分层失效问题为目的，主要开展了磁性纳米氧化铁改性碳纳米管的制备与性能、磁场作用下改性碳纳米管增强改性环氧树脂复合材料的制备与性能，以及磁场作用下碳纳米管改性连续碳纤维/环氧树脂复合材料的制备与性能等三个重要方面的研究，得出了以下重要结果和关键数据：（1）以乙酰丙酮铁为铁源，采用溶剂热法原位到了纳米Fe3O4粒子包覆的多壁碳纳米管（CNT@Fe3O4）和短切碳纤维; 采用均匀沉淀法制备得到了多壁碳纳米管/四氧化三铁复合粒子；采用液相沉积空气氧化法得到FeOOH和Fe2O3棒状纳米粒子。以上三种类型粒子均能够在弱磁场（≤0.12T）作用下，在溶剂、环氧树脂等介质中即可沿磁场方向发生定向排列。（2）利用以上三种类型粒子在磁场作用下能够在固化后的环氧树脂中形成有序结构，在改善复合材料的拉伸性能、压缩性能、断裂韧性、热性能等方面发挥了显著作用。其中，磁场作用下添加1.5wt%CNTs@Fe3O4的环氧树脂复合材料的断裂韧性GIC，较纯EP和无磁场作用的复合材料分别提高了276.8%、58.2%。磁场作用下添加1wt%棒状Fe2O3/EP复合材料的断裂韧性GIC，较纯EP和无磁场作用下复合材料分别提高了223%、94%。（3）利用以上三种类型粒子在磁场作用下能够在固化后的连续碳纤维增强环氧树脂复合材料中形成有序结构，在改善复合材料的层间韧性方面同样发挥了显著作用。其中，在磁场作用下添加1wt%CNT@Fe3O4的环氧树脂复合材料的层间剪切强度GIC，较纯EP和无磁场作用下复合材料的分别提高了85.7%、38.3%。本项目还获得了磁性粒子改性碳纳米管以改性碳纳米管增强环氧树脂及增强连续碳纤维/环氧树脂复合材料的调控方法和机理，并提出了一种可规模化生产的定向排列一维微纳米粒子/环氧树脂复合胶膜的制备方法及其可行装置，具有较强的科学与应用意义。