弱磁场作用下石墨烯改性的棒状微纳米磁性粒子/聚合物复合材料的结构与性能

In order to efficiently improve the comprehensive performance of graphene modified epoxy resin composite material. This project puts forward an innovative method that combines the two types of the latest research thought of using aligned graphene and nanoparticles. With the aid of the method, the oriented structure of graphene can be obtained and one-dimensional nanoparticles possessing the functions of enhancement and electromagnetism can be introduced in the composites. Under the weak magnetic field, oriented graphene and aligned one-dimensional micro-nano magnetic materials along the direction of the magnetic field can synergistically improve the properties of the polymer and fiber reinforced composites, such as the electrical conductivity, dielectric constant, wave absorption performance and mechanical performance. Accordingly the expected good modification effect can be achieved. The main research contents include: (1) Preparation mechanism and morphology control optimization of graphene effectively loading and coating the micro-nano magnetic material. (2) Dispersing graphene loading and coating micro-nano magnetic materials, interface control mechanism in the polymer composites and structure-properties relationship of the composite material. (3) The mechanism of magnetic field on the orientation of graphene loading and coating magnetic micro-nano materials in polymer and the structure-property relationship of the composites. (4) The effect of magnetic field on the enhancement in interlaminated shear strength of carbon fiber reinforced epoxy resin composites using graphene loading and coating micro-nano materials.

为了高效提高石墨烯改性环氧树脂复合材料的综合性能，本项目提出了一种综合了“石墨烯定向排列增强”以及“纳米粒子增强”这两种前沿研究思路的创新方法。借助该方法，既可以在复合材料中获得石墨烯的定向结构，又可以引入具有增强和电磁功能特性的一维微纳尺寸材料。在弱磁场诱导下，沿磁场方向取向的石墨烯和一维磁性微纳尺寸材料可以协同改善聚合物及其纤维复合材料的导电性、高介电常数、吸波性能、力学等性能，从而获得期望的优异改性效果。主要研究内容包括：(1) 石墨烯有效地负载和包覆磁性微纳尺寸材料的制备机理及形貌调控优化。(2) 石墨烯负载和包覆磁性微纳尺寸材料在聚合物中的分散、界面的调控机制及复合材料的构效关系。(3) 磁场对石墨烯负载和包覆磁性微纳尺寸材料在聚合物中取向的调控机制及复合材料的构效关系。(4) 磁场对石墨烯负载和包覆磁性微纳尺寸材料影响碳纤维增强环氧树脂复合材料层间增韧的作用机理及调控。

基于石墨烯改性的高分子复合材料能够在机械性能、导热、导电等性能上获得显著的改善，成为高性能高分子复合材料的重要制备方法，在基础科学问题、应用技术问题、制备方法和策略、应用场景等方面取得了长足的发展，近年来广受关注并且热度持续。本项目提出了一种综合了“石墨烯定向排列增强”以及“纳米粒子协同增强”这两种前沿研究思路的创新方法。借助该方法，既可以在复合材料中获得石墨烯的定向结构，又可以引入具有增强和电磁功能特性的一维微纳尺寸材料。在弱磁场诱导下，沿磁场方向取向的石墨烯和一维磁性微纳尺寸材料可以协同改善聚合物及其纤维复合材料的导电性、导热性、力学等性能，从而获得期望的优异改性效果。主要研究内容包括：(1) 石墨烯有效地负载和包覆磁性微纳尺寸材料的制备机理及形貌调控优化。(2) 石墨烯负载和包覆磁性微纳尺寸材料在聚合物中的分散、界面的调控机制及复合材料的构效关系。(3) 磁场对石墨烯负载和包覆磁性微纳尺寸材料在聚合物中取向的调控机制及复合材料的构效关系。(4) 磁场对石墨烯负载和包覆磁性微纳尺寸材料影响碳纤维增强环氧树脂复合材料层间增韧的作用机理及调控。主要的研究进展包括：（1）发展了一种针状铁氧化物纳米粒子的简单方法，获得了优化制备条件和制备条件对相关性质的影响规律，该粒子实现了对环氧树脂的断裂韧性及其碳纤维复合材料的层间韧性显著增强。（2）磁场诱导下，GO包覆针状FeOOH纳米粒子（GO@FeOOH）实现了对环氧树脂的断裂韧性及其碳纤维复合材料的层间韧性显著增强，揭示了相应的增韧机理。（3）首次提出了一种基于聚丙烯无纺布和电纺纤维膜负载γ-FeOOH插层膜技术以及通过磁场诱导强化碳纤维/环氧树脂复合材料的层间增韧效果的新策略，实现了成效显著的增韧效果，具有较强的应用价值。（5）首次利用运动磁场强化还原氧化石墨烯提高聚酰亚胺/氮化硼薄膜平面内外热导率。该运动磁场策略不仅可以有效地强化导热网络，而且在大规模生产中具有潜在的应用前景。