【摘 要】
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碳纤维（CFs）增强聚合物基复合材料由于其具有质轻、高强等特性而广泛应用于国防航空、运动器材,交通运输和海洋领域。然而,CFs表面呈石墨微晶结构,表面光滑且呈惰性,不利于聚合物对CFs的润湿从而导致不良的界面粘合。另外,CFs和聚合物基体之间的模量差会导致在界面区域引起应力集中,影响载荷从基体到纤维的传递效率。因此,本文从分子结构设计角度出发,首先将碳纳米管（CNTs）或氧化石墨烯（GO）通过酯化
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碳纤维（CFs）增强聚合物基复合材料由于其具有质轻、高强等特性而广泛应用于国防航空、运动器材,交通运输和海洋领域。然而,CFs表面呈石墨微晶结构,表面光滑且呈惰性,不利于聚合物对CFs的润湿从而导致不良的界面粘合。另外,CFs和聚合物基体之间的模量差会导致在界面区域引起应力集中,影响载荷从基体到纤维的传递效率。因此,本文从分子结构设计角度出发,首先将碳纳米管（CNTs）或氧化石墨烯（GO）通过酯化反应接枝到CFs表面,然后通过阴离子聚合接枝聚酰胺（PA）,构筑纳米-聚合物“刚柔”结构CF-CNTs-PA,CF-GO-PA,CF-GO-CNTs-PA,CFCNTs-GO-PA,构建出具有多尺度增强、适度模量又易与基体融合的界面缓冲层。本文研究了CFs表面元素组成、微观形貌、浸润性、界面相厚度变化等与界面结合性能及力学性能之间的关系,进一步阐述了界面增强机制。主要研究内容及结果如下:1、采用化学接枝方法在CFs表面引入CNTs和PA构筑了双重“刚柔”结构,在CFs和环氧树脂之间形成了多级梯度模量中间层。通过多种测试手段对功能化CFs的元素组成和结构变化分析,并研究了梯度模量中间层对CFs复合材料的界面和力学性能的影响。引入的CNTs-PA界面相提高了CFs表面极性官能团、微米级粗糙度和表面能。与CFs/环氧树脂复合材料相比,CF-CNTs-PA/环氧树脂复合材料的界面剪切强度（IFSS）,层间剪切强度（ILSS）,弯曲强度和冲击强度分别增加了75.6%,44.1%,41.3%和34.6%。此外,还讨论了复合材料的界面破坏模式和增强机理。2、采用化学接枝法在CFs表面上引入GO片和PA构筑具有分层增强的“刚柔”结构,在CFs和环氧树脂之间形成了较厚的多级梯度模量界面层。通过多种测试手段对功能化CFs的元素组成和结构变化进行分析,并研究了功能化CFs复合材料中间层的变化和界面性能。引入的GO-PA界面相增加了CFs表面极性官能团、微米级粗糙度和表面能。与CFs/环氧树脂复合材料相比,CF-GO-PA/环氧树脂复合材料的IFSS,ILSS,压缩强度和冲击强度分别提高了76.8%,46.4%,40.7%和37.8%。并系统阐述了界面增强机制。3、在CFs表面共价接枝CNTs-PA和GO-PA的基础上,又改变了接枝顺序,构筑了不同的具有协同分级增强的GO-CNTs,CNTs-GO,GO-CNTs-PA以及CNTs-GOPA结构。XPS和拉曼测试表明,GO,CNT和PA已共价接枝在CFs表面,从而显著改善了CFs表面活性官能团,粗糙度和浸润性。此外,研究了协同增强的多层级GO-CNTs-PA“刚柔”结构对CFs表面微观形貌和复合材料界面厚度及粘结性的影响。与CFs/环氧树脂复合材料相比,CF-GO-CNTs-PA增强环氧树脂复合材料的IFSS,ILSS和冲击强度分别提高了80.9%,51.7%和40.2%。并系统阐述了界面增强机制。
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