真空辅助纳米网络共渗透技术可制备出具有优异热稳定性和多功能性的纳米限域多尺度碳纳米管/聚酰亚胺复合增强塑料

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Vacuum-assisted nano-network co-infiltration enables nanoconfined multiscale CNT/polyimide CFRPs with exceptional thermal stability and multifunctionality

　　

摘要

耐超高温复合材料的研发越来越受到重视，尤其是通过使用高玻璃化转变温度的聚合物来提升碳纤维增强聚合物的热稳定性。引入纳米网络结构以产生纳米约束效应，为进一步改善材料性能提供了有效途径；不过，在碳纤维表面构建纳米网络以及将高粘度树脂灌封到这些密集结构中仍存在诸多挑战。本文介绍了一种真空辅助纳米网络共浸渍策略，该策略能够同时形成碳纳米管纳米网络和聚酰亚胺基体渗透层，从而构建出混合多尺度结构。通过结合超声辅助分散与真空过滤技术，碳纳米管和聚酰亚胺粉末可被共同浸渍到碳纤维织物中，进而实现在树脂渗透的同时形成连续的碳纳米管纳米网络。这一过程能产生显著的纳米约束效应，将聚酰亚胺链限制在碳纳米管构成的相互连接的框架内，无论是在纤维之间还是纤维内部。当碳纳米管添加量为1.5重量%时，该复合材料的玻璃化转变温度可达437℃，5%重量损失温度为579.9℃，相比纯碳纤维增强聚合物分别提升了41℃和18℃。此外，碳纳米管纳米网络还能显著提高材料的电导率和热导率，同时通过降低摩擦系数和磨损率来提升耐磨性。这项研究为在极端高温环境下的航空航天应用提供了可规模化生产的多功能碳纤维增强聚合物的方案。