“相对”高模量碳纤维及“全”复合材料筒体缠绕树脂的制备及应用基础研究

Based on the specific requirement of high stiffness for whole composite structure cylinder used in nuclear energy field, this application is proposed with the aim of low-cost preparation of high modulus-moderate strength carbon fiber and related composites for such cylinder. The fundamental scientific issues of carbon fiber preparation is expected to be solved by regulating efficient formation and fine sub-structure of graphite-like structure and designing surface physical and chemical structure. Furthermore, the modulus of epoxy resin matrix is supposed to be adjusted by designing crosslinking structure of the resin from its molecular structure level, as well as the excellent resin matrix for high tension filament winding of carbon fiber is obtained by enhancing infiltration ability of the matrix and interfacial bonding of composites on basis of “double interface/double interphase ” model. The purpose of this application is to elucidate the basic scientific issues of fine regulation of carbon fiber structure, composition-structure-property intrinsic relationship of epoxy system and interfacial optimization of composites. All these works will provide the research idea of the design and achievement of high-stiffness composites, which definitely contributes to large-scale and low cost application of domestic carbon fiber and related composites.

针对核能领域“全”复合材料筒体对高刚度的特殊要求，本项目以筒体专用高模碳纤维及其复合材料低成本化制备为目标，基于碳纤维类石墨结构高效形成和精细结构调控、碳纤维表面物理化学结构设计和优化等方法，解决专用碳纤维制备中的关键科学问题；从分子结构层面设计具有不同交联网络结构的环氧树脂体系调控树脂基体的模量，基于“双界面/双界面相”模型改善树脂基体的浸润性，提高复合材料的界面结合，建立高模碳纤维大张力缠绕用树脂基体设计的基本科学方法。本项目的实施旨在阐明碳纤维结构精细化控制、环氧树脂体系组成-结构-性能内在联系及复合材料界面优化的应用科学基础，为高刚度复合材料的设计与实现提供新的研究思路，推动国产碳纤维及复合材料的规模化和低成本化应用。

针对核工业用复合材料筒体对高刚度的特殊要求，本项目通过对碳纤维类石墨化结构和表面物化特征的控制，结合专用树脂基体的分子设计和复合材料结构优化，由此阐明了碳纤维结构精细化控制与环氧树脂基体结构设计及复合材料力学性能实现的基本科学机制：（1）控制碳纤维微晶演变和缺陷的发展实现碳纤维类石墨结构精细调控，优化工艺条件和表面处理改善碳纤维的性能和结合能力，解决专用高模碳纤维制备的关键科学问题，支撑低成本化制备专用碳纤维（模量>320 GPa、强度>3500 MPa、伸长率> 1.2%，直径7μm左右）制备技术；（2）从分子结构层面设计具有不同交联网络结构的环氧树脂体系，基于“双界面/双界面相”模型，通过调节树脂体系分子结构的模量及复合材料的界面相性能，获得适于高模国产碳纤维大张力缠绕用树脂基体，最大限度发挥高模碳纤维的刚度优势；（3）统筹复合材料筒体加强层、缠绕角、预裂纹和纳米粒子等影响因素，研究筒体破坏机理的影响规律，实现碳纤维复合材料筒体结构-性能的可控优化。由此阐明碳纤维结构精细化控制与环氧树脂基体结构设计及复合材料力学性能实现的基本科学机制。本项目揭示碳纤维类石墨结构形成机制和精细结构调控的科学机制，提出碳纤维表面物理化学结构设计和优化的有效方法，阐明环氧树脂体系组成-结构-性能内在联系，建立树脂交联网络结构调控其模量和界面性能的关键理论，研究筒体的影响因素和破坏规律，最终阐明碳纤维结构精细化控制与环氧树脂基体结构设计及复合材料力学性能实现的基本科学机制，基础研究结果可应用于国产碳纤维及其复合材料的工程实际应用。