沥青基碳纤维表面多层组装及其复合材料界面和导热性能研究
沥青基碳纤维复合材料界面相的结构/功能一体化成为近些年的研究热点。界面相不仅是树脂基体和沥青基碳纤维之间应力传递的“枢纽”，同时也是复合材料热量传递的主要障碍，热载荷声子的有效传播影响着界面相的热阻。因此，界面相的结构和性能决定了复合材料的宏观力学和导热性能。针对现有的共价改性损伤沥青基碳纤维本征强度和界面热阻偏高的问题，本文提出了在沥青基碳纤维表面逐层构筑苝酰亚胺(PDI)/石墨烯(GN)/苝酰亚胺三层组装体的方法，开展了以稠环化合物/碳纳米粒子多层组装构筑界面相以增强复合材料界面性能和导热性能的机理探究，实现了结构/功能化界面相的设计和构筑。 (1)设计并制备氨基封端的花酰亚胺分子，分别配置PDIc-20悬浮液(20 mg/ml),GN 稳定分散液(0.2mg/ml)和 PDIc-5(5 mg/ml,pH≈9)质子化悬浮液，然后在沥青基碳纤维表面(PCF-desized)逐层进行组装改性，制备 PCF-GN、PCF-PDI、PCF-PDI/GN 和 PCF-PDI/GN/PDI,探究组装前后沥青基碳纤维表面物化特性。相较于PCF-desized和PCF-GN,PCF-PDI、PCF-PDI/GN和PCF-PDI/GN/PDI表面的化学活性和比表面积均有所提高,并形成PDI纳米线组装体、PDI/GN褶皱纳米组装体和PDI/GN/PDI蝉翼纳米组装体结构。提出了 “PDI的苝环与沥青基碳纤维表面石墨结构和石墨烯的类石墨结构通过π-π堆积和氢键的双重非共价键作用，在沥青基碳纤维表面进行逐层组装”的多层组装机理。 (2)以环氧树脂为基体，分别制备PCF-desized/EP、PCF-GN/EP、PCF-PDI/EP、PCF-PDI/GN/EP 和 PCF-PDI/GN/PDI/EP 单向和束丝复合材料，研究了多层组装界面相对复合材料界面性能和导热性能的改善效果。相较于 PCF-desized/EP,PCF-PDI/GN/PDI/EP 的 ILSS 和 TFBT 强度改善效果最佳，分别提高了 29.49％和307.94％。并基于界面相微观结构、界面相碳元素和模量变化，提出界面增强机理:“PDI/GN/PDI组装层兼具PDI组装体抑制裂纹和PDI/GN组装体增刚界面相的双重作用，促进界面结合强度的提升。”同时，PCF-PDI/GN/PDI/EP单向复合材料的热导率和热阻改善效果最为显著，并提出了“PDI/GN/PDI三层组装体不仅改善界面相容性，降低了界面热阻，且形成了导热通路促进声子有效传递”的导热机理。
复合材料;沥青基碳纤维表面;多层组装;界面性能;导热性能
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
杨小平
2023
中文
TB33
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）