连续碳纳米管纱线与树脂浸渍复合及界面性能研究

连续碳纳米管纱线是将碳纳米管沿一定方向有序排列形成的宏观纤维，被公认为是下一代先进复合材料用增强体，是近年来的国际前沿研究热点。申请者前期研究发现，浸润树脂溶液可显著提高碳纳米管纱线的力学性能，同时纱线的微观结构非连续等特征导致其浸渍复合状态和纱线/树脂界面粘结行为具有特殊性，明显不同于传统的碳纤维/树脂体系。本项目即针对这一问题，研究连续碳纳米管纱线中碳管缠绕取向的微/纳米多级结构，分析树脂对碳纳米管纱线的浸渍渗透特性，考察碳纳米管堆积结构对树脂反应的影响，从而揭示碳纳米管纱线与树脂的物理化学作用机制；在此基础上，发展碳纳米管纱线/树脂界面性能的表征分析方法，掌握树脂浸渍复合状态与纱线力学性能及纱线/树脂界面性能的关联机制，为碳纳米管性能高效转化奠定实验和理论基础，同时牵引碳纳米管纱线的高性能化技术发展。

碳纳米管是迄今为止世界上强度和模量最高的轻质材料，而且兼具非常优异的功能特性。自其发现以来，将其用于复合材料的增强就是国际研究热点。但是，由于碳纳米管的纳米级尺寸，使其在应用过程中存在分散性的问题。因此，近年来的国际热点开始转向发展以碳纳米管为基础的连续增强体，包括巴基纸、连续碳纳米管纤维和碳纳米管薄膜等形式。其中，碳纳米管纤维是碳纳米管沿单一方向有序排列形成的宏观纱线，具有质轻高强的优越性，被广泛认为是第三代先进结构复合材料增强体的良好选择。但是，在真正实现碳纳米管纤维的工程化应用之前，相关研究还面临很多关键基础问题。其中，碳纳米管性能向复合材料性能转化效率低仍然是现阶段的关键，本项目针对这一核心问题，系统深入开展以连续碳纳米管纤维制备工艺及与树脂复合强化机制研究，对高性能碳纳米管复合材料的制备和应用具有非常重要的理论意义和实用价值。. 本项目采用阵列加捻纺丝法制备连续碳纳米管纱线及树脂浸润复合纱线，建立了碳纳米管纱线结构、碳管纤维与树脂浸润复合状态以及碳管纤维/树脂界面性能的测试表征方法；通过纺丝工艺参数和纺丝过程中浸润液体的选择，实现了纱线内部CNT的排列和堆积结构的调控，掌握了典型树脂体系对CNT纱线的浸润规律和粘结行为，揭示了纱线结构与纱线力学、导电性能之间的关系及树脂浸润固化对纱线力学性能的增强作用；探索了碳纳米管纤维后处理工艺对其性能的影响，进一步提高了连续碳纳米管纤维的力学性能和电性能，并提出了改性增强机制；研究了不同种类碳纳米管纤维与环氧树脂的界面性能，获取了树脂性能、碳纳米管结构及碳管纤维性能对界面粘结性能的影响规律，并提出了碳纳米管纤维/树脂复合体系界面模型，研究结果为提高碳纳米管性能转化效率、发展高性能碳纳米管复合材料提供了重要数据支持和理论依据。