基于活性自由基聚合的梳型聚合物/碳纤维多尺度增强体制备及其复合材料界面增强机理研究

As an important reinforcing material the carbon fiber（CF）is widely used in many fields such as aerospace industry, automotive industry, steamship industry, petroleum industry and chemical industry. In recent years, a tremendous amount of work had been done on the surface modification of carbon fiber to increase the interfacial properties between carbon fiber and resin matrix. To prepare a comb-like polymer/carbon fiber multi-scale reinforcement, the comb-like polymer will be grafted from the carbon fiber surface via living radical polymerization (LRP) in this project. These living radical polymerizations have enabled the control of polymer molecular weights and the synthesis of well-defined polymers, which can be used to design and fabricate the surface morphology and structure of multi-scale reinforcement. Then we will prepare comb-like polymer/carbon fiber multi-scale reinforcement composites by using the epoxy resin as matrix. The interfacial properties, interfacial microstructure and fracture morphology of this composite will be also discussed to study the interfacial reinforcing mechanisms of the composites. Finally, we want to reveal the cause of the improvement of interfacial properties and establish the processing-microstructure-property relationship. The research results of this project are not only of great significance for the preparation of high-performance fiber-reinforced polymer composites, but also of great importance to the improvement of interfacial strength and impact resistance of composites.

碳纤维作为一种重要的增强材料在航空航天、汽车、船舶等领域有重要应用。通过对碳纤维表面进行改性以改善其与树脂基体的界面性能，进而提高复合材料的整体性能是目前研究的重要方向。本项目拟通过活性自由基聚合法将具有梳型结构的聚合物以化学键连接的形式接枝到碳纤维表面，并利用活性自由基聚合的可控性，对碳纤维表面接枝聚合物的结构进行设计，制备出具有特殊化学结构和物理形貌的梳型聚合物/碳纤维多尺度增强体，实现碳纤维表面结构形貌的可设计性。将此增强体与环氧树脂复合制备复合材料体系，通过研究复合材料的界面力学性能、界面微观结构以及断口形貌，系统研究这种多尺度增强体对复合材料界面性能的增效机制，揭示此新型复合材料高界面性能产生的原因，建立此新型复合材料"工艺-微结构-材料性能"之间的关系。本项目研究成果对于获得新型高性能纤维增强聚合物基复合材料以及解决复合材料界面强度低、抗冲击性能差等问题具有重要意义。

碳纤维是航空航天领域一种重要的增强材料，但由于碳纤维与树脂基体的浸润性以及粘接性较差，导致复合材料界面处容易出现破坏，严重影响复合材料整体性能的发挥以及使用寿命。基于此背景，本课题组提出利用活性自由基聚合法在碳纤维表面引入梳型聚合物，制备出由微米尺度的传统碳纤维与纳米尺度或分子尺度的梳型聚合物复合而成的多尺度增强体。梳型聚合物的引入可以大幅提高碳纤维表面的活性官能团数量，增加碳纤维与树脂基体间的化学键合和物理吸附，而且梳型聚合物特殊的结构可使得接枝聚合物能够嵌入树脂基体中，形成较强的机械啮合效应，从而可以明显改善复合材料的界面性能。研究结果表明，碳纤维与梳型聚合物之间通过化学键成功连接在一起，并且可以通过改变反应条件实现碳纤维表面接枝聚合物的结构与分子量调控。梳型聚合物的引入明显改变了碳纤维表面结构和形貌，使得碳纤维的表面能大幅提升，改善了碳纤维与树脂基体的粘结性，大幅提高了复合材料力学性能和界面性能，其中界面剪切强度提高了101.88%，层间剪切强度提高了31.29%。本课题组采用分子动力学方法模拟了多尺度碳纤维复合材料的界面，建立了界面微观模型，探讨了多尺度体增强体的界面增强机理，为多尺度碳纤维复合材料的应用提供理论基础。本项目的研究成果为碳纤维的表面改性提供了新的思路和方法，同时这类具有特殊化学结构和形貌的新型碳纤维多尺度增强体将在航空航天、军事和汽车工业领域具有潜在的应用。在项目执行期间，发表论文17篇，其中SCI收录16篇，EI收录1篇，获得授权专利7项，参加国际会议1次，培养硕士生4名。