再生碳纤维复合材料微观结构调控及其力学与电磁防护性能研究
随着碳中和政策的持续推进，交通运输、风电等行业对于碳纤维复合材料的需求量也与日俱增。随着碳纤维复合材料的广泛应用，其回收再利用问题受到越来越多的关注。再生碳纤维是一种从废弃复合材料或半成品中回收得到的高价值产物，继承了原始碳纤维大部分优异的性能，包括高比强度、比刚度、高电导率、热导率等。然而回收得到的再生碳纤维通常呈现为不连续、杂乱蓬松且表面无上浆剂的状态，这种特性造成其二次再利用时加工困难，所制备的复合材料产品力学性能差、附加值也低。针对上述问题，本文从再生碳纤维高效、高值化再利用角度出发，改进优化湿法成网技术实现了取向再生碳纤维无纺布的规模化制备，保障了高性能再生碳纤维复合材料的宏量制备。在充分利用碳纤维本身优异力学性能的基础上，深入研究和挖掘基于再生碳纤维高导电特性的功能化科学方法，系统研究了再生碳纤维的排列状态（分散、取向）及表、界面微观结构调控对其复合材料力学与电磁防护性能的影响，旨在开发出具有高价值属性的结构功能一体化再生碳纤维复合材料。 （1）针对再生碳纤维在复材中纤维体积含量低、分散及界面结合差的问题，优化了湿法成网技术的工艺参数并结合纤维表面改性制备了分散良好的再生碳纤维无纺布以用于制备树脂基复合材料。得益于纤维均匀的分散以及其与基体优异的界面结合，聚多巴胺改性再生碳纤维增强环氧基复合材料（PDA-rCF/EP）展现出优异的力学性能，拉伸强度和弯曲强度分别达到147.9MPa和177.2MPa，相比未经表面改性的复合材料分别提高22.7％和35.4％。完善的纤维导电网络也赋予了复合材料优异的电磁屏蔽性能（总屏蔽效能（??????）最高达40dB）。 （2）改进了现有的湿法成网技术，结合流体动力学计算设计并优化了渐缩喷嘴的几何形状，实现了具有高取向度（83.5%）的再生碳纤维无纺布的规模化制备（长度＞100m，宽幅500mm），将纤维在复合材料中的体积分数进一步提高到40%以上。由取向再生碳纤维无纺布制备的准单向复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别达到774.8MPa和678.2MPa，相比无规结构的复合材料分别提高190.0%和50.0%。此外，研究了取向纤维无纺布的铺层角度及顺序对复合材料力学性能及电磁屏蔽效能的影响规律，所制备的准各向同性复合材料层间剪切强度最高可达37.1MPa，平均??????可达45dB。 （3）针对屏蔽材料会反射电磁波产生二次电磁污染的问题，开发了再生碳纤维基的吸波材料，通过简便的自组装及自催化热解工艺在再生碳纤维表面修饰了具有多级异质结构特征的金属有机框架（MOF）衍生物，可以实现多种电磁波损耗机制的协同作用且兼顾到阻抗匹配的改善，赋予了再生碳纤维复合材料反射损耗低、有效吸波带宽大、匹配厚度薄的优点。具有典型多级异质结构特征的复合材料（Co-NC@CF-3）在1.8mm匹配厚度下最小反射损耗值低至-50.1dB，在1.6mm匹配厚度下有效吸收带宽达4.82GHz，且最低比吸收强度低至-1002dB，与其他碳纤维基复合材料相比展现出超高效率的吸波性能。 （4）在再生碳纤维表面成功构筑了ZnO纳米线阵列作为多功能界面相，同时实现了纤维/基体的界面增强、阻抗匹配的改善、界面极化损耗的提高。深入研究了界面微环境对于rCF/ZnO异质界面电荷转移行为及界面极化的作用机制，探讨了界面极化强度与界面粘附力、界面极化损耗能力之间的关联，加深了对材料的力学性能和吸波性能协同调控机理的理解。ZnO@rCF-o复合材料的界面剪切强度高达97.5MPa，在1.5mm的超薄匹配厚度下最小反射损耗低至-55.3dB，在1.6mm匹配厚度下有效吸收带宽达5.0GHz。
复合材料;再生碳纤维;微观结构;力学性能;电磁防护
北京化工大学
博士
材料科学与工程
贾晓龙
2022
中文
TB332
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）