基于COF自组装的PBO纤维表面改性及其复合材料界面和透波性能研究

作     者：张煊 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李刚

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：PBO纤维 透波复合材料 COF 非共价组装 界面相容 低介电 

摘      要：聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维化学惰性的光滑表面,导致其与树脂基体之间具有差的界面相容性和强的界面极化效应,限制了复合材料在透波领域的应用和发展。因此纤维表面改性对于提升复合材料的界面结合和透波性能尤为关键。基于碳纤维π-π共轭结构的非共价组装改性,本文提出了以三种不同维度共价有机框架(A-COF、BCOF和M-COF)材料非共价组装改性PBO纤维的方法,开展了不同维度COF材料在PBO纤维表面组装过程和机理研究,以及其构筑的界面相对复合材料界面相容性和低介电性能影响的研究,实现了复合材料界面性能和宽频范围内透波性能的同步增强。(1)通过分子结构设计制备了三种不同维度的COF材料:2D COF(A-COF、B-COF)和3D COF(M-COF),研究了三种COF的物化特性。证明了三种COF均具有较高的比表面积和孔隙率。其中2D COF呈现较强的结晶峰,微观结构呈片层堆积形成的珊瑚状结构;而3D COF的结晶性较差,呈现不规则的纳米颗粒状聚集体。(2)将三种COF通过原位生长的方式组装到Pristine PBO纤维表面,制备了A-COF@PBO-(24h,48h,72h)、B-COF@PBO-(24h,48h,72h)和M-COF@PBO-(24h,48h,72h)纤维。其中组装时间为24 h和48 h的改性纤维用来研究COF在纤维表面生长过程的物化特性和组装机制。与Pristine PBO纤维相比,A-COF@PBO-72h、B-COF@PBO-72h和M-COF@PBO-72h三种纤维表面粗糙度和表面能均得到提升。其中2D COF在纤维表面的组装-生长过程驱动力为π-π作用与共价键作用的协同作用。而3D COF在纤维表面的组装过程驱动力为π-π作用,而生长过程驱动力以共价键作用为主。(3)分别制备了Pristine PBO、A-COF@PBO-72h、B-COF@PBO-72h和M-COF@PBO-72h纤维束丝、单丝和单向复合材料,评价复合材料界面性能和断面的微观形貌,以及在宽频率范围内(1 MHz-20MHz和12.4 GHz-18 GHz)的介电性能。与Pristine PBO纤维复合材料相比,A-COF@PBO-72h、B-COF@PBO-72h和M-COF@PBO-72h纤维复合材料的TFBT和IFSS强度均得到提升,并提出了不同维度COF改性纤维的界面增强机理:2D COF的纳米颗粒通过铆钉作用有效增加了裂纹传播的路径和能量耗散,3D COF纳米颗粒在纤维表面堆积形成的孔结构与树脂基体形成具有强机械啮合作用的交联互锁结构。与Pristine PBO纤维复合材料相比,A-COF@PBO-72h、BCOF@PBO-72h和M-COF@PBO-72h纤维复合材料的透波性能在宽频范围内均得到提升,提出透波增强机理:虽然2D COF存在一定的层间电子流动,但是界面极化效应的减弱和单位体积内极化分子数的减少,实现了复合材料透波性能的提升。