CNDs/CNTs可控构筑PBO纤维/环氧复合材料多层次界面相及其强韧化机理研究

Interface construction via fiber surface grafted carbon nano-materials is the effective solution and future direction of strengthening and toughening of composite, and the greatest challenge of design and control of interface phase is precision construction of interface structure. According to PBO fiber/epoxy composite system, this study proposes a novel strategy that different hierarchy precise design and control of interface structure through chemical graft and chemical modification based on size differences of carbon nanotubes (CNDs) and carbon nanotubes (CNTs). This method can richen interface morphology and reactive activity of fiber, strengthen mechanical engagement, anchor nail and chemical bonding between fiber and matrix. The purposes of this study are to design and construct different thickness, structure and modulus multi-hierarchy hybrid interfaces by changing ratio, concentration and chemical grafting time of CNDs/CNTs, to investigate the influences of interface construction on fiber properties and surface state (morphology and reactivity), to analyse the action mechanism of interface structure on interface bonding and properties of composite. In addition, mechanical properties of interface microregion is investigated, and interface phase behavior of interface microregion under loadings is analyzed. Energy dissipation mode and strengthening/toughening mechanism of multi-hierarchy interface is deduced by experimental study. The study of this project may provide the theoretical direction to the design and controllable construction of interface, and lay a theoretical and practical foundation for the design and development of high strength and high toughness resin matrix composite.

纤维表面接枝碳纳米材料构筑界面相是实现复合材料强韧化的有效解决方案和未来发展方向，界面相设计与调控的最大挑战是界面相结构的精准构筑。本研究针对PBO纤维/环氧复合材料，利用碳纳米点（CNDs）与碳纳米管（CNTs）的尺寸差异性，借助化学接枝与化学修饰在不同层次上精准设计与调控界面相结构，丰富界面形貌与反应活性，增强纤维与基体间的机械啮合、锚钉及化学键合作用。通过改变CNDs/CNTs比例、浓度及化学接枝时间，构筑不同厚度、结构和模量的多层次杂化界面相。考察界面相构筑对纤维性能及表面状态（形貌与反应活性）的影响，分析界面相结构对复合材料界面结合及其性能的作用机制。研究界面相微区力学特性，分析载荷作用下的界面微区相行为和界面相能量耗散方式，揭示多层次杂化界面相的强韧化机理，理论指导界面相设计与构筑，为开发高强度高韧性树脂基复合材料奠定理论和实践基础。

PBO纤维/环氧树脂基复合材料具有质轻、比强度高和可设计性强等优点，被广泛应用于航空航天和国防工业等领域。但是，PBO纤维表面光滑并呈化学惰性，导致其与树脂浸润性差，所制备的复合材料界面结合强度差，限制了PBO纤维/树脂基复合材料的进一步应用。界面相作为基体与增强体间的微小区域起着传递载荷的作用，对复合材料性能具有决定性影响。通过合理的界面相结构设计与调控，可以实现增强体与基体间载荷的有效传递，大幅度提高复合材料整体性能。因此，界面工程研究也成为了复合材料领域的基础性和前沿性研究课题。.针对PBO纤维表面光滑且呈化学惰性的问题，本研究通过湿化学氧化法对PBO纤维进行表面功能化处理。湿化学氧化的刻蚀作用可以显著增加纤维的表面粗糙度和表面反应性功能基团，进而增强纤维与基体间的机械啮合作用和化学键合作用，促进界面处载荷的有效传递。适度的湿化学氧化可显著改善复合材料的界面结合，提高复合材料的整体性能；但过度的湿化学处理会导致PBO纤维力学性能退化，进而降低PBO纤维复合材料的性能。当处理温度为60 °C，处理时间为40 min时，PBO纤维复合材料的界面剪切强度得到大幅度提升（56.8 %），而且PBO纤维的力学性能展现了良好的稳定性。.针对PBO纤维/树脂基复合材料中界面结合差的难题，利用碳纳米点(CNDs)与碳纳米管(CNTs)的尺寸差异性，借助化学接枝与化学修饰在不同层次上精准设计与调控界面相结构，丰富界面形貌与反应活性，增强纤维与基体间的机械啮合及化学键合作用。通过改变CNDs/CNTs比例、浓度及化学接枝时间，构筑不同厚度、结构和模量的多层次杂化界面相。多层次杂化界面相能为界面提供更多的机械啮合接触点和更强的化学键合连接，进一步提高界面结合强度，深层次发掘PBO纤维复合材料的潜力。当CNDs与CNTs的接枝比例为1:2时，PBO纤维复合材料的界面剪切强度得到最大程度改善(97.5 %)。界面作用机理研究表明多层次杂化界面相能更加有效的传递界面载荷，吸收和耗散更多的界面能量，达到PBO纤维复合材料强韧化的效果。