多尺度纳米颗粒协同增韧热固性聚合物体系的构筑及其断裂机理研究

Poor crack resistance is the inherent nature of thermosetting polymers, which greatly limit their wide applications in engineering field. The combination of nanoparticles is an effective method to improve significantly the fracture toughness of such materials. However, some factors, such as the agglomeration of nanoparticles and the uncertain and vague mechanisms of synergistic toughening effect, restrict to further tailor and optimize their performance. In this project, we try to modify the thermosetting polymer with well-dispersed multi-scale nanoparticles, explore to build the multi-level micro-/nano- structures with having the synergistic toughening effect, achieve the greatly significant improvement in the fracture toughness of thermosetting polymer without reduction in other important properties, and further investigate the relative fracture mechanisms. Specific content includes: optimize and develop the fabrication process of the thermosetting polymer composites modified with the combination of different nanoparticles, explore the complicated interaction between the multi-scale nanoparticles, construct the thermosetting polymer composite systems toughened synergistically by multi-scale nanoparticles, try to establish the relationships among composition - microstructure - morphology - macro-mechanical properties of nanocomposites, pay more attention on investigating the synergistic toughening effect and the relative fracture behaviour of thermosetting polymer composites filled with the multi-scale nanoparticles, and offer the theoretical and technical foundation for the preparation and development of thermosetting polymer based nanocomposite materials with excellent mechanical properties.

抵抗裂纹扩展能力差是热固性聚合物的一个固有缺点，严重影响了它们更广泛的工程应用。纳米颗粒的复配是显著改善这类材料断裂韧性的有效途径。然而，纳米颗粒的团聚和协同增韧机理的不明确等因素制约了材料性能的进一步调控和优化。本项目我们尝试利用良好分散的多尺度纳米颗粒来改性热固性聚合物，探索构建具有协同增韧效应的多层次微纳结构，以实现大幅提高材料的断裂韧性而不降低其它重要性能，并进行相关断裂机理的研究。具体内容包括：优化和发展良好分散的不同纳米颗粒复配改性热固性聚合物复合材料的制备工艺，探索纳米颗粒之间复杂的相互作用，构筑多尺度纳米颗粒协同增韧热固性聚合物复合材料体系，尝试建立纳米复合材料组成-微结构-形态-宏观力学性能之间的构效关系，重点关注多尺度纳米颗粒改性热固性聚合物的协同增韧效应及其相关断裂行为的研究，为研制力学性能优异聚合物基纳米复合材料奠定理论和技术基础。

以热固性聚合物为基体的电绝缘漆、涂料、先进纤维复合材料等各类产品，已广泛应用于电子电器、汽车、航空航天等领域。然而，高度交联的网状分子结构使热固性树脂常表现出阻止裂纹扩展能力差、易应力开裂及疲劳寿命短等缺点。研究表明不同尺寸和性质的纳米颗粒复配可以改善热固性聚合物的力学性能，特别是断裂韧性；但多数研究仍存在着一些缺陷与不足，包括纳米颗粒团聚，综合性能差，增韧效果不一致，协同增韧条件及断裂机理不明确等。.为此，本项目系统比较和考察了几组典型的纳米颗粒与其他不同尺度填料复配，通过高分散纳米颗粒改性聚合物纳米复合材料，研究了该类多尺度纳米复合材料综合性能和微观结构的变化规律。主要研究结果有：.（1）发展了一个新的方法（纳米粉末橡胶与亚微米液体橡胶复配）实现了对环氧树脂的冲击强度和Tg的有效平衡，相应的多相复合材料的无缺口冲击强度可达41.6 kJ/m2（提高了~112%）。相比较单相柔性颗粒，多尺度柔性颗粒复配能够有效促进各自引发的基体塑性变形能力。.（2）建立了多种表面处理技术实现了对石墨烯分散性及其与聚合物间界面的控制，证实了少量（<0.5wt%）石墨烯衍生物可以显著提高材料的断裂韧性、抗蠕变性能和热学等性能，发现了石墨烯独特的表面粗糙结构和高比表面积有利于与基体间相互作用以限制聚合物分子链段的运动能力，并首次证实了石墨烯桥联微裂纹、石墨烯分层和脱粘等增韧机理。.（3）利用了导电纳米填料（碳纳米管和石墨烯）与柔性颗粒复配改性环氧，发现不同尺度的纳米填料复配不仅可以赋予优异的导电性能，而且能够有效地平衡了其他重要性能（如刚度、强度、断裂韧性、Tg、热稳定性等）；研究显示，柔性颗粒的添加能够改善导电纳米填料在聚合物基体的分散性，但对柔性颗粒增韧效果有一定的限制，且未发现协同增韧效应。.（4）与相关企业合作开发了新型多尺度碳纳米管沉积玻璃纤维规模化制备等，证实了纳米颗粒能够显著提高纤维与基体间界面，从而实现材料力学性能的提高；并用于硅树脂模塑料的研制，显示出良好的应用前景。.基于上述研究，本项目初步建立不同类型多尺度纳米复合材料的形态-结构-性能关系，揭示了该类多尺度纳米复合材料力学行为传递规律和作用机理，这对进一步调控和优化热固性聚合物基纳米复合材料的断裂韧性等力学性能奠定理论和技术基础，并具有重要的理论指导意义和工程应用价值。

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