随着先进科学技术的迅速发展,集结构-功能一体化的复合材料成为研究的重要方向,其结构高性能化与功能复合化对实现现代器件装备的高效率、轻量化、高可靠等意义重大。作为高性能纤维的一种,碳纤维因具有高强度、高模量、质量轻而被广泛用于结构增强材料,碳纤维增强树脂基复合材料因具有优异的综合性能已成为航空航天领域的基本材料。碳纤维不仅具有优异的力学性能还具有优良的导电性及碳材料固有的特性,在功能材料方面有应用潜力,近年来,结构-储能型碳纤维/树脂基复合材料成为研究热点。基于结构-功能一体化复合材料的设计思想,本文设计结构碳纤维作为增强体及储能电极、环氧树脂作为基体及结构电解质,制备结构-储能型碳纤维/环氧树脂复合材料,对新型环氧树脂基凝胶电解质的结构、性能及结构碳纤维表面改性进行系统研究,并借助现代仪器分析手段对材料微观结构、电化学及力学性能进行表征。具体研究内容和结果如下：深入研究了环氧树脂基凝胶聚合物电解质的结构及性能。采用聚乙二醇二缩水甘油醚为基体、三乙烯四胺为交联剂、碳酸丙烯酯为增塑剂及四丁基六氟磷酸铵为电解质盐制备了环氧树脂基凝胶电解质,研究了聚合物基体、电解质盐浓度对电解质结构及性能的影响；采用纳米Ti02、纳米Si02及介孔Ti02对电解质进行改性。结果表明聚合物含量增大电解质离子电导率下降、机械强度提高；电解质盐TBAPF6浓度为0.8～1.0mol/1时,聚合物结晶度大幅降低,电解质离子电导率趋于最大值。纳米Ti02、纳米Si02及介孔Ti02对电解质结构及性能有较大影响,能与聚合物链段形成物理交联网络体系及表面羟基对环氧树脂交联固化反应起到加速促进作用,氧化物含量及在聚合物中的分散性严重影响其改性效果。由于介孔Ti02特殊的介观结构及表面键合有大量羟基,与基体间相互作用体现最充分,改性效果显著,以聚合物含量为65wt.%、TBAPF6浓度为1.0 mol/l配制电解质体系,当介孔Ti02含量为6wt.%时,离子电导率由6.81×10-5S/cm提高到11×10-5/cm,提高了61.5%；分解电压由2.75 V提高至大于5.0 V；电解质的压缩强度由3.91 MPa提高至5.06 MPa,提高了29.4%,有效改善了环氧树脂基凝胶电解质的综合性能。深入研究氧化改性对碳纤维及其环氧树脂复合材料结构及性能的影响及机理。采用浓HN03与空气氧化法对碳纤维进行表面改性,浓HN03氧化会降低碳纤维的力学强度,不能显著提高其比表面积(为活化前的1.1-4.5倍),然而能有效引入活性官能团(为活化前的13-60倍),提高碳纤维表面活性,其比容量为改性前的2.3-10.5倍,复合材料剪切强度提高3-20%,压缩强度提高6～31.9%,压缩模量提高6.5～28.4%。通过优化工艺参数,浓HN03与空气氧化相结合能有效去除碳纤维表面缺陷使其拉伸强度提高,并显著提高碳纤维比表面积(为活化前的11-48倍)及表面活性官能团(为活化前的37～80倍),优化碳纤维表面特性,大幅提高了复合材料的储能效果及力学性能,比容量为改性前的22-132倍,剪切强度提高10.8-36%,压缩强度提高22-65.4%,压缩模量提高18.4-64%。采用碳纤维电极及环氧树脂电解质制备的碳纤维/环氧复合材料呈现出超级电容器典型的双电层电容特性,氧化处理提高了碳纤维比表面积、表面官能团的引入提高了碳纤维表面润湿性及比表面积利用率,从而提高了碳纤维/环氧复合材料的电化学及力学性能。开展溶剂挥发自组装技术制备介孔Ti02的实验研究。以P123为模板剂、钛酸正丁酯为前驱体、浓盐酸为抑制剂,通过溶剂蒸发诱导自组装法制备介孔Ti02,研究煅烧温度、模板剂及酸量等因素对介孔Ti02结构及性能的影响。分析表明,介孔Ti02具有锐钛矿晶型、蠕虫状的介孔结构,平均孔径尺寸为4.3～7.8 nm,平均晶粒尺寸为8.4～12.5 nm,样品比表面积为92.7～263.6 m2/g。随焙烧温度从350℃升高至500℃,样品比表面积下降、平均孔径增大、晶粒尺寸长大,介孔结构的规则性下降,当采用400℃处理3 h,样品比表面积为190.3 m2/g,平均孔径7.2 nm,晶粒粒径为10.1 nm。随模板剂用量从0.3 g增大至1.5 g,孔径增大、介孔结构的规则性提高,比表面积从94.2 m2/g升高202.4 m2/g,模板剂用量过多则使介孔结构的稳定性降低,实验中模板剂用量为0.8～1.2 g时介孔结构规则性较好。酸量增大,介孔结构的孔径增大,比表面积呈先增大后减小的趋势,实验中当浓HCl/Ti摩尔比为0.5-1.0之间时,能够得到比表面积较大、孔径较大且规则的介孔结构。通过改变实验条件可有效调控介孔Ti02的结构及性能。开发介孔Ti02对碳纤维表面改性新技术。在上述对制备介孔TiO2实验研究的基础上,利用介孔材料比表面积大的优点及涂层有助于提高碳纤维抗氧化性,采用介孔Ti02对碳纤维进行表面改性,在活性碳纤维表面原位合成介孔Ti02,制备介孔TiO2/CF增强体。介孔Ti02涂层有效提高了材料的比表面积,当负载量为65.4wt.%时,材料的比表面积由负载前的1.5 m2/g提高至89.6 m2/g；而且,介孔Ti02涂层使碳纤维表面缺陷得到一定程度的修复,减少了由缺陷引起的应力集中现象,使得碳纤维的力学强度得到提高；此外,焙烧温度对涂层附着稳定性有较大影响,低温焙烧时涂层分布均匀、附着稳定,高温焙烧会因Ti02孔壁收缩程度加剧,内应力增大,导致涂层附着稳定性降低。对介孔TiO2/CF增强环氧复合材料的力学及电化学性能进行研究。结果表明复合材料的剪切强度最大可提高约40%,压缩强度可提高约77%,压缩模量可提高80%。复合材料的储能方式仍以双电层电容为主,未表现出氧化物赝电容产生的迹象,具有良好的倍率特性及循环稳定性。介孔的存在及Ti02与碳纤维间的协同效应使碳纤维的储能效果显著提高,负载31.8wt.%的介孔TiO2后,活性碳纤维比表面积由1.5 m2/g提高至69.2 m2/g,比容量由0.092 F/g上升至3.34 F/g,能量密度和功率密度均明显上升,介孔Ti02可有效降低电解质电荷传递电阻、提高离子的传输与扩散能力,使电容器内阻大幅降低,电化学性能显著提高。