用于碳/碳复合材料前驱体的石墨烯/聚酰亚胺复合材料的可控制备与碳化研究

Carbon/carbon composites are the necessary key materials in aerospace, nuclear power, laser, etc. In this project, we should choose the graphene/polyimide composites applying to the processors of carbon/carbon composites as objects of study, and mainly research the relationships between the aggregation structures and controllable preparations and the carbonized behaviors of these composites. By means of designing molecular structures, modifying the surfaces of graphene oxide, optimizing the molding processes, thermal treatments, etc., we should prepare the graphene/polyimide composites with different aggregation structures, e.g. crystalline, non-crystalline, orientation structures, etc. Furthermore, we should research the influences of the aggregation structural parameters, including crystalline degree, grain size, etc., on the mechanical properties, thermal stability and electrical properties. Then, we could fabricate the structure-activity relationships between the aggregation structures and macroscopic properties of graphene/polyimide composites. Researching the carbonized reactions, structural evolutions and property changes of carbonized and graphitized products of different aggregation structural graphene/polyimide composites in carbonization and graphitization processes, we would illustrate the influences of aggregation structures on the carbonized mechanism of graphene/polyimide composites. Moreover, this project would provide the theoretical supports and new research thoughts for designing and preparing the higher performance and fewer defects of carbon/carbon composites.

碳/碳复合材料是航天、核电、激光等领域必不可少的关键性材料。本项目以用于碳/碳复合材料前驱体的石墨烯/聚酰亚胺复合材料为研究对象，重点研究其聚集态结构、可控制备及其碳化行为。拟采用分子设计、石墨烯修饰、成型工艺优化、热处理等调控手段，可控性地制备出具有晶态、非晶态及取向态等不同聚集态结构的石墨烯/聚酰亚胺复合材料。研究结晶度、晶粒尺寸等结构参数对石墨烯/聚酰亚胺复合材料的力学性能、热稳定性和电性能的影响，建立石墨烯/聚酰亚胺复合材料中聚集态结构与宏观性能之间的构-效关系。研究不同聚集态结构的石墨烯/聚酰亚胺复合材料在碳化、石墨化过程中的碳化反应、结构演变和性能变化，阐明聚集态结构对石墨烯/聚酰亚胺复合材料的碳化机理的影响。为进一步设计与制备具有更优异性能和低缺陷的碳/碳复合材料提供理论支持和新的研究思路。

聚酰亚胺复合材料具有突出的耐热、力学及电性能，在航空、微电子、核能开发等领域具有十分重要的地位。近年来，以石墨烯为代表的二维层状增强材料在复合材料领域备受关注，均匀可控分散、提高功能化、提升应用价值是当前该领域研究重点。本项目以石墨烯/聚酰亚胺复合材料碳化前驱体为研究对象，进行了如下研究工作：（1）通过分子设计出不同结构聚酰亚胺并进行合成工艺优化，研究了聚集态结构与工艺之间的关系；（2）对氧化石墨烯进行改性、还原、修饰，控制其表面缺陷、提高表面活性，并对其在溶液体系中的自组装行为及还原方法进行研究；（3）将石墨烯与聚酰亚胺通过原位聚合、模压等复合工艺制备出石墨烯/聚酰亚胺复合材料，研究复合材料的力学、电性能、光学性能等与结构之间的关系，获得多功能聚酰亚胺，提升其应用价值；（4）采用高温碳化和石墨化工艺，制备并分析碳化复合材料和石墨化复合材料的碳化反应、结构演变规律及性能变化规律，深入研究石墨烯对聚酰亚胺前驱体的碳化、石墨化催化及诱导机理，为进一步拓展二维层状结构在催化领域应用提供理论基础。结果表明石墨烯/聚酰亚胺复合材料的石墨化温度可降低到2300℃以内，碳化起始温度降低到900℃以内，碳化收率超过60%以上。进一步开拓了磷酸盐、氧化钨等新型二维层状增强体改性高性能树脂研究的新领域。在项目资助下共发表标注论文8篇，含JCR一区Top期刊论文4篇；申请发明专利5项；项目负责人入选辽宁省高等学校创新人才计划、沈阳市中青年创新人才计划、辽宁省百千万人才千层次等人才工程项目，培养研究生4人，指导在读研究生7名。