【摘 要】
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高强纤维聚合物复合材料由于轻质、高刚度等特点在工程领域具有广泛的应用前景,而碳纤维增强聚合物基复合材料的性能高度依赖于纤维与聚合物之间的界面结合。然而碳纤维的表面呈惰性,复合材料在传递载荷时会发生界面破坏,因此如何提高纤维的表面活性,避免复合材料在服役过程由于界面脱粘导致的材料失效成为研究热点。本课题通过构筑刚性-柔性分层结构的多级梯度界面层改善纤维/树脂界面失效问题。首先在碳纤维表面原位生长MO
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高强纤维聚合物复合材料由于轻质、高刚度等特点在工程领域具有广泛的应用前景,而碳纤维增强聚合物基复合材料的性能高度依赖于纤维与聚合物之间的界面结合。然而碳纤维的表面呈惰性,复合材料在传递载荷时会发生界面破坏,因此如何提高纤维的表面活性,避免复合材料在服役过程由于界面脱粘导致的材料失效成为研究热点。本课题通过构筑刚性-柔性分层结构的多级梯度界面层改善纤维/树脂界面失效问题。首先在碳纤维表面原位生长MOF-5,通过机械啮合的方式提高纤维/聚合物的粘附行为;进一步利用金属有机框架的配体功能化实现多种键合方式增强复合材料界面;在此基础上采用CMC代替传统氧化法提供MOFs生长的活性位点,在避免损伤纤维本体强度的同时实现多级梯度界面层的构筑。主要研究内容和结果如下:（1）采用溶剂热法在碳纤维表面成核位点生长MOF-5,选择两种前驱体盐比较其对MOF-5形成过程的影响,提出成核生长机理。结果表明醋酸根离子通过影响配体的去质子化过程改变MOF-5晶体的形貌,改性后的样品MOF-5/CFs复合材料的抗拉强度为297 MPa,提高106.25%。材料动摩擦系数增加的同时,磨损率下降85.69%,表现出良好的摩擦磨损性能。（2）利用配体功能化在碳纤维表面制备MOF-5-NH2,实现碳纤维/基体间机械-化学协同的界面结合。氨基官能团的引入使MOF-5-NH2生长均匀致密,表面自由能从21.91 mN·m-1提高到69.93 mN·m-1。复合材料拉伸破坏机制由纤维拔出和界面脱粘转变为纤维受力失效,动摩擦系数提高到0.165,与MOF-5/CF复合材料相比磨损率降低52.7%,具备良好性能优势。（3）利用CMC多官能团特点进行无损改性,在MOF-5-NH2的原位生长同时实现纤维素-金属有机框架（CelloMOFs）的多级梯度界面增强。CMC在引入羟基官能团的同时能通过自驱动机制修复纤维表面缺陷,150℃下复合材料储存模量由12.9 GPa增加到21.3 GPa,磨损率降低50.8%。由于界面的增强,磨损表面产生磨粒细化,摩擦失效方式由纤维的破损和界面脱粘转变为纤维基体同时磨损,表现出更优异的摩擦磨损性能。
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