【摘 要】
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随着轻质高性能材料需求的不断增加,扩大了复合材料特别是纤维增强复合材料的前景和价值。在所有增强纤维中,超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维因机械性能优异、高耐化学性和抗冲击强度引起研究人员和工业工程师的极大关注。由于缺乏极性官能团和低表面自由能致使纤维和基体的粘附性较差。纤维与聚合物的浸润程度,尤其是纤维与基体界面处的粘附程度决定了UHMWPE纤维增强复合材料的性能。粘附可通过物理化学或机械锁结两
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随着轻质高性能材料需求的不断增加,扩大了复合材料特别是纤维增强复合材料的前景和价值。在所有增强纤维中,超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维因机械性能优异、高耐化学性和抗冲击强度引起研究人员和工业工程师的极大关注。由于缺乏极性官能团和低表面自由能致使纤维和基体的粘附性较差。纤维与聚合物的浸润程度,尤其是纤维与基体界面处的粘附程度决定了UHMWPE纤维增强复合材料的性能。粘附可通过物理化学或机械锁结两者来促进,这两种不同主要途径的结合可构筑复合材料新的增强界面。多巴胺氧化自聚合创建聚多巴胺（PDA）薄层的仿生表面改性方法可构筑聚合物基体和纤维间的桥梁,基于低温溶液的生长技术则可在涂层表面形成刚性晶须以增强载荷传递和界面粘附力。基于对纤维本体不产生损伤、且其工艺绿色可控的功能化涂层的要求,本课题以PDA功能化涂层为载体,采用温和简单的溶液浸渍制备PDA涂层,并通过低温水热法于PDA表面原位均匀生长ZnO纳米阵列以改性UHMWPE纤维,研究PDA固有特性和纳米粒子微观结构参数对复合材料界面性能的影响规律;从复合材料的微观界面特性到宏观力学性能,比较系统的研究了多尺度增强UHMWPE纤维的表面性能,并揭示其界面增强机理,为优化设计合理的UHMWPE纤维增强复合材料的界面相微观结构提供理论和科学依据。具体的研究内容和主要结论如下:（1）PDA功能化UHMWPE纤维及界面性能研究。受贻贝中粘附蛋白的成分启发,使用多巴胺自聚合在UHMWPE纤维表面形成一层PDA薄膜。通过调控多巴胺聚合动力学因素（如反应溶剂、反应时间等）实现PDA形貌的可控。当溶剂中乙醇含量为20%时,纤维的拉伸强度最大可提升11.1%。当多巴胺浓度为2 g/L时,界面剪切强度随反应时间的增加而增大,最大可提升146.7%,但当反应时间超过24 h后,界面强度稍有下降;当反应时间为84 h时,受溶剂效应的影响,乙醇含量为40%时,界面粘结强度提升57.7%。界面增强的主要原因是PDA涂层可在UHMWPE纤维表面引入高极性的邻苯二酚和氨基,从而增强了与树脂基体的相容性。（2）UHMWPE-PDA-ZnO纤维的制备及其界面性能研究。通过PDA的二次功能化改性,利用水热法在纤维表面原位生长ZnO纳米阵列,在聚乙烯亚胺（PEI）介导的反应体系中实现ZnO纳米棒长径比的可控。其中,种子层是ZnO纳米阵列沿c轴取向的主要原因,在0～5 m M的PEI浓度下分别制备了长径比为10～32的ZnO纳米棒,界面粘结强度最大可提升63.6%,纤维表面的ZnO纳米棒与树脂基体之间的机械互锁是界面强度提升的主要原因。（3）UHMWPE层压板的制备及其力学性能研究。通过热压工艺制备了UHMWPE/WPU、UHMWPE-PDA/WPU及UHMWPE-PDA-ZnO/WPU层合板,通过180°剥离、短梁剪切及动态力学性能等研究UHMWPE织物改性对复合材料界面性能的影响规律。其中,UHMWPE-PDA-ZnO/WPU复合材料的剥离强度和层间剪切强度较UHMWPE/WPU分别提升4倍及70.14%,其tanδ值则表明该体系可吸收更多能量。综上所述,通过高性能有机-无机纳米增强材料的结构设计与可控制备,可以在UHMWPE纤维原始力学性能损伤最小的基础上,获得可控的复合材料界面,为UHMWPE纤维/树脂基复合材料的界面改性提供了新的研究思路,但相应从分子/原子水平理解其增强机理则对先进的表征方法与技术提出了更高的要求。
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