【摘 要】
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先进树脂基复合材料具有轻量化结构、优异的本征性能和较大的性能设计与提升窗口,在航天国防、工业生产、基础建设等领域具有广阔的应用前景。然而复合材料优异性能的实现受增强体与基体的浸润性能与吸附性能影响,新型二维材料MXene（Ti3C2Tx）具有低密度、极佳的机械、热、电性能,由此可以为复合材料带来了增韧增强、热稳定、电磁屏蔽等多功能特性,并且在低掺量下可实现较大性能提升更与复合材料轻量化设计相吻合。
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先进树脂基复合材料具有轻量化结构、优异的本征性能和较大的性能设计与提升窗口,在航天国防、工业生产、基础建设等领域具有广阔的应用前景。然而复合材料优异性能的实现受增强体与基体的浸润性能与吸附性能影响,新型二维材料MXene（Ti3C2Tx）具有低密度、极佳的机械、热、电性能,由此可以为复合材料带来了增韧增强、热稳定、电磁屏蔽等多功能特性,并且在低掺量下可实现较大性能提升更与复合材料轻量化设计相吻合。但是二维材料的本征纳米尺寸给其带来优异性能的同时也带来了在树脂中易团聚、分散性差的难题,本文以复合材料轻量化与结构-功能一体化设计为中心,从树脂基复合材料轻量化与增强增韧这一实际需求出发。围绕解决二维材料在树脂中分散这一核心问题,采取纳观-微观-宏观一体化协同设计的方法,制备人工设计的微观海绵多孔结构和纳观尺度本征多孔结构,作为增强体研究对象,以达到复合材料力学性能与功能特性提升为目标,展开以下四方面内容:本文从增强相基元材料MXene（Ti3C2Tx）的制备出发,通过制备流程的设计与具体工艺参数的调控,制备了具有不同片层大小、层间距与表面粗糙度的MXene（Ti3C2Tx）,并对其进行基本表征与分析,从纳观尺度确定基元材料的特征。在此基础上对MXene（Ti3C2Tx）宏观体海绵进行结构设计与制备,首先通过冷冻干燥法制备浓度不同的MXene（Ti3C2Tx）定向海绵结构,得到的宏观体是由二维片层在空间形成的多孔定向网络结构;为了改善宏观体成型性,将MXene（Ti3C2Tx）与成型性更好的GO采用不同的方案进行复合,并通过材料组分与连接结构设计,制备了不同浓度、不同方案下多种MXene（Ti3C2Tx）/GO基复合海绵,并从微观尺度对不同复合海绵形貌特点进行分析。利用冷冻干燥法制备的MXene（Ti3C2Tx）/GO宏观体海绵结构,通过真空辅助浸润与剪切流力二次分散的手段,树脂能够充分浸入海绵并且海绵充分离散。对纯组元海绵、多方案MXene（Ti3C2Tx）/GO复合海绵增强的树脂基复合材料进行力学性能测试与分析,得到增强浓度极限与最佳增强方案。相对纯树脂该方法制备复合材料弯曲强度提升59.60%,拉伸强度提升31.49%,其弯曲断裂延伸率提升60.40%,断裂吸收功提升了228.57%。在此基础上进行断口分析,发现MXene（Ti3C2Tx）/GO的引入可以得到的引入使得断面粗糙度与塑性撕裂区面积明显提升、促进了微裂纹化以及裂纹路径的原位汇聚和曲折拓展,增加了断裂所需要的能量。对复合材料进行热学性能测试,相对纯树脂该方法制备复合材料玻璃态转变温度提升9.797℃,降解过程功率补偿极值点的温度提升63.10℃,800℃下的TG值提升至6.768%,复合材料的热稳定性得到提升。采用纳观尺度本征多孔结构作为增强相,利用制备得到的MXene（Ti3C2Tx）水相浆料,在溶剂热法制备Sn-MOF的过程中将其引入反应体系,得到MOF@MXene/GO的纳观多孔复合结构,并对其进行基本分析与表征,其呈现出纳米多孔框架搭载于二维片层的绒状形貌。以其作为增强相,采用同样的方法制备MOF@MXene/GO增强树脂基复合材料,比较不同工艺方案与浓度配比对力学性能的影响,对比发现复合材料相比于纯树脂:弯曲强度最高提升50.98%,拉伸强度最高提升26.24%,弯曲断裂延伸率提升至16.72%,断裂吸收功提升至14.41×10~6J/m~3。对其断口分析发现大量的韧窝和褶皱以及纳米片的粘附性拔出,微裂纹化程度高。而相对纯树脂该方法制备复合材料玻璃态转变温度提升8.21℃,降解过程功率补偿极值点的温度提升35.44℃,800℃下的TG值提升至9.80%,同样实现了热稳定性的提升。对增强基元MXene（Ti3C2Tx）表面官能团化对应的不同结构进行第一性原理计算分析。通过吸附能计算确定吸附位点、验证吸附性,在此基础上计算不同种类基团、不同比例基团覆盖率条件下的电子结构,分析能带结构、能态密度、发射-吸收光谱的变化情况,证明实验制备得到的MXene（Ti3C2Tx）满足金属性电子结构,能够实现功能特性的设计与提升。
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