碳纤维表面酞菁结构的界面相构建及其复合材料界面性能研究
碳纤维复合材料的界面问题一直以来都是遏制其在结构材料、功能材料上应用的关键制约因素。随着技术的发展，在研究界面科学的过程中，不仅需要提高界面的结合强度，更要保证界面相能够满足当下应用的需求，促进碳纤维复合材料向结构功能一体化方向发展。在本文中，通过构建酞菁掺杂界面相交联网络、温度响应性的酞菁组装结构、碳纤维表面官能团与双界面的作用关系、以及多层次纳米结构界面层的角度开展了碳纤维复合材料界面性能的研究。 设计了一种新颖的以酞菁结构为交联点的界面相，通过提高界面相的交联密度和玻璃化转变温度(Tg)提高了碳纤维复合材料的高温界面性能。高耐热性界面相由多氨基基团和刚性芳杂环结构组成的四氨基酞菁(TAPc)分子涂覆在碳纤维表面来实现。和商业碳纤维(CF-commercial)相比，TAPc涂覆后的碳纤维(CF-TAPc)在150℃的界面剪切强度(IFSS)提高了127.3％。利用原子力显微镜(AFM)发现，在180℃下CF-TAPc界面相的模量远高于CF-commercial的。结合不同束丝复合材料热机械性能，并利用阿伦尼乌斯公式计算得到了不同复合材料界面相发生玻璃化转变所需的活化能大小，证明了CF-TAPc界面相具有更高的热机械稳定性。研究结果表明，多氨基反应位点和刚性结构的TAPc分子提高了界面相的Tg，从而提高了碳纤维复合材料的高温界面性能。 利用溶剂蒸发驱动自组装法和酞菁组装结构对温度的响应性，在碳纤维表面生长了“甜甜圈”、“纳米线”、“纳米带”和“方块”状的组装形貌。研究了组装时间、温度和成核位点对TAPc组装形貌的影响，表明温度是影响组装形貌的关键因素。利用X射线衍射研究了温度对TAPc组装晶型的影响，表明在120-200℃温度范围内晶型保持一致。探究了碳纤维表面不同组装形貌与IFSS的关系，表明表面生长“纳米带”复合材料界面性能最佳，并探讨了表面形貌对界面性能的影响机制。 通过酸化氧化法制备了六种不同表面化学特性的碳纤维，研究了表面化学特性与界面粘附力和界面性能的关系。利用X射线光电子能谱统计了碳纤维表面不同化学官能团的含量，表征了单丝碳纤维的拉伸强度和韦伯分布。通过AFM针尖功能化处理定量地测试了TAPc分子与不同碳纤维表面的粘附力大小。通过条件控制得到了表面生长TAPc“纳米带”，且表面形貌与表面浸润性一致的六种碳纤维。研究了碳纤维复合材料的IFSS大小与粘附力大小的关系，分析了表面化学官能团种类与IFSS的相关性。为以提高IFSS大小为目的提供了有效的表面改性指导方案。 通过一步溶剂蒸发驱动自组装法在碳纤维表面制备了TAPc纳米线@氧化石墨烯的多层次纳米结构（CF-TAPc NWs@GO）。利用X射线衍射和紫外可见光谱表明了TAPc纳米线的组装机理，为J-型聚集方式得到的α相TAPc晶型。AFM针尖改性后在力学模式下定量地表征了不同碳纤维表面与TAPc分子间的粘附力大小，解释了TAPc纳米线选择性生长的现象。树脂在不同碳纤维表面的动态吸附量反映了纤维表面的浸润性。和未处理碳纤维相比，在30℃和180℃下，CF-TAPc NWs@GO复合材料的 IFSS强度分别提高了66.9％和206.6％。AFM模量测试表明，TAPc NWs@GO多层次纳米结构在界面相形成了模量过渡层，起到了传递应力的作用，并导致界面破坏以耗能高的内聚失效形式发生。此外，TAPc NWs@GO多层次结构带来了丰富的界面极化中心和更多的电导损耗，赋予了碳纤维复合材料优异的电磁屏蔽性能，在添加含量仅为0.5wt％时，电磁屏蔽效率在9.6GHz下为29dB，相比未处理碳纤维提高了108.3％。研究结果表明，CF-TAPc NWs@GO复合材料在结构功能一体化的应用上具有很大潜力。
碳纤维复合材料;酞菁结构;表面改性;电磁屏蔽性能
北京化工大学
博士
材料科学与工程
杨小平
2020
中文
TB341
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）