多尺度复合材料增强体的构筑与增强机制研究

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聚合物基复合材料具有高比强度、高比模量、低密度、耐高低温、耐腐蚀性和抗疲劳等优良性能,在航空航天等军事上有着极高的应用价值。然而碳纤维表面缺乏极性基团而且活性基团也较少,聚合物基体与碳纤维之间的润湿性和吸附性较差,使得表面能较低。这些因素导致了致碳纤维复合材料界面强度较差,阻碍了从基体到纤维的载荷传递,碳纤维增强聚合物基复合材料优异性能无法完全发挥出来。同时增强体在聚合物中分散不均匀也成为复合材料性能提升的瓶颈。为了改善界面强度,解决分散性难题,提高复合材料性能,设计并制备了碳纳米管/碳纤维多尺度增强体和天然木材/环氧树脂多尺度增强复合材料。采用化学组装方法将碳纳米管接枝到碳纤维表面,碳纳米管均匀分布在碳纤维表面,碳纤维与聚合物基体间的机械啮合能力得到改善,进而实现了复合材料界面强度的增强。XPS结果证实,碳纳米管以PPI树枝状大分子为媒介,依靠高强度的化学键接枝到碳纤维表面。碳纳米管/碳纤维跨尺度增强体FESEM结果表明,碳纳米管在碳纤维表面实现了高密度,高均匀度的接枝。表面能测试结果证实,碳纤维与聚合物基体间的润湿性在接枝碳纳米管后得到提高。同时,碳纳米管的接枝也提供了碳纤维与聚合物基体间的机械互锁效应,裂纹在界面处的扩展得到进一步阻碍,最终界面强度提升109%。天然木材具有自然形成的多尺度结构,而且从微观角度,木材内部去除的木质素部分会留下孔隙,这将便于接下来环氧树脂的进入。利用化学方法处理的木材,内部管道表面会引进大量的含氧基团,进一步改善木材表面与环氧树脂的润湿性能,提高界面强度。纵向木材/环氧树脂多尺度增强复合材料弯曲强度达到180Mpa,比原始木材提升了36%,比环氧树脂提升了100%;横向木材/环氧树脂多尺度增强复合材料弯曲强度比原始木材提升了108%;横向木材/环氧树脂多尺度增强复合材料拉伸强度比原始木材提升了107%。利用木材碳化后会获得优异的导电性能的特点,进一步制备天然木材衍生碳材料,研究其电磁屏蔽性能。电磁屏蔽测试结果表明,木在8-12GHz范围内,材衍生碳/环氧树脂复合材料的电磁屏蔽效能平均为15d B,最高可达32d B,经过计算透射系数约为0,反射系数约为0.7。这一结果表明几乎没有电磁波透过材料,接近80%的电磁波在样品表面反射,证明该材料电磁屏蔽效能优异。木材衍生碳/r GO复合材料的电磁屏蔽效最高可达32d B;木材衍生碳/Mxene复合材料的电磁屏蔽效能最高可达27d B。
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