西北工业大学顾军渭团队IM研究论文：含芴聚芳醚酮设计合成及其碳纤维增强聚醚醚酮复合材料研究

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论文信息

Z. Liu, X. Fan, X. Lu, X. Shi, J. Zhang, H. Guo, M. He, J. Gu. Interface strengthening for carbon fiber-reinforced poly(ether-ether-ketone) laminated composites by introducing fluorene-containing branched poly(aryl-ether-ketone). Interdiscip. Mater. 2024; 3(6). doi: 10.1002/idm2.12200

摘要

西北工业大学顾军渭团队以双酚芴、二氟二苯甲酮和间苯三酚为原料，采用三元无规共缩聚反应合成端羟基的含芴支化聚芳醚酮（BFPAEK）。以聚醚醚酮（PEEK）为基体、BFPAEK表面功能化改性的碳纤维（CF@BFPAEK）为增强体，经“粉末浸渍-高温模压”制备CF@BFPAEK/PEEK层压复合材料。核磁共振波谱（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和体积排除色谱（SEC）证明本文成功合成出具有预期分子结构的BFPAEK。BFPAEK分子结构中的芴基和端羟基能够通过π-π共轭作用和氢键等次价键力增强其与CF间的相互作用力；BFPAEK能够与PEEK间相互扩散形成稳定界面层，改善PEEK基体与CF@BFPAEK间的界面粘接强度。当BFPAEK中支化单元的含量为10 wt%且在CF表面的包覆量为3 wt%时，CF@BFPAEK/PEEK层压复合材料具有最佳的力学性能、优异的导热性能和热稳定性。层间剪切强度（ILSS）和弯曲强度分别为57.3 MPa和589.4 MPa，较纯CF/PEEK层压复合材料（31.8 MPa和408.4 MPa）分别提升了80.2%和44.3%。经288 h的水热老化和高低温交变老化后仍具有优异的力学性能，其ILSS和弯曲强度保持率分别为87.9%和84.7%，也明显高于纯CF/PEEK层压复合材料的74.5%和70.4%。CF@BFPAEK/PEEK层压复合材料的导热系数和5%热失重温度分别为1.85 W m-1 K-1和538.0℃。

主要内容

碳纤维（CF）增强热塑性复合材料具有优异的抗冲击性能、良好的耐湿热性能、超短的成型周期及可回收利用二次加工等诸多优点，是目前航空航天复合材料低成本化和高性能化的重要发展目标。与聚苯硫醚、聚酰亚胺和聚醚砜等常见热塑性聚合物基体相比，聚醚醚酮（PEEK）具有优异的耐热性能、耐疲劳、耐冲击、耐湿热、耐辐照以及良好阻燃性能等。CF/PEEK复合材料是一种极具潜力的高性能热塑性复合材料，在航空航天飞行器制造领域受到极大关注。

然而，CF表面惰性强，与PEEK基体间的界面粘接强度差。常见CF的表面改性方法主要包括等离子体处理、强氧化剂处理和化学接枝等。等离子体处理、强氧化剂处理方法通常会对CF本体结构产生较大程度破坏，导致其力学性能明显降低；化学接枝法改性通常需要先对CF进行预处理，其制备工艺较为复杂，适应面较窄、工业化前景不乐观。同时，用于化学接枝改性的聚合物基体的耐热性能通常较差，在CF/PEEK复合材料模压成型过程中易发生碳化分解，界面改性效果不佳。

因此，本研究以双酚芴（BFL）、二氟二苯甲酮（DFBP）和间苯三酚（PG）为原料，采用一锅法经无规共缩聚反应合成端基为羟基的含芴基支化聚芳醚酮（BFPAEK）。以聚醚醚酮（PEEK）为基体、BFPAEK表面功能化改性的碳纤维（CF@BFPAEK）为增强体，经“粉末浸渍-高温模压”制备CF@BFPAEK/PEEK层压复合材料。BFPAEK分子结构中的芴基和端羟基能够通过π-π共轭作用和氢键等次价键力增强其与CF间相互作用力；且BFPAEK与PEEK的分子结构相似度高，两者间溶度参数差异小、相容性较好，能够通过与PEEK间相互扩散形成具有稳定的界面层，改善PEEK基体与CF间的界面粘接强度，使CF/PEEK复合材料的力学性能明显增大。同时，BFPAEK具有优异的本体耐热性能，能满足CF/PEEK复合材料模压成型过程中加工温度要求。

图1 CF@BFPAEK/PEEK层压复合材料的制备示意图。

图2 基于纳米压痕法测试CF/PEEK微复合材料界面处的弹性模量（A）和硬度（B）；CF/PEEK（Sample 0）、CF/PEEK（Sample 1）、CF@BPAEK/PEEK（Sample 2）和CF@BFPAEK/PEEK（Sample 3）微复合材料的横向拉伸强度（C）；CF/PEEK微复合材料界面处SEM照片及纳米压痕选点分布（D）；CF/PEEK和CF@BFPAEK微复合材料界面处TEM照片（E）；CF/PEEK微复合材料经横向拉伸实验后断口处的SEM照片（F）；CF@BFPAEK/PEEK微复合材料界面强化示意图（G）。

图3 CF/PEEK（Sample 0）、CF/PEEK（Sample 1）、CF@BPAEK/PEEK（Sample 2）和CF@BFPAEK/PEEK（Sample 3）复合材料在室温稳态（A）、湿热老化后（B）和高低温循环后（C）的层间剪切强度（ILSS）和弯曲强度；CF/PEEK复合材料的热导率（D）、热失重曲线（E-F）、动态热机械曲线（G）和平板加热模式下复合材料样品的表面温升曲线及红外热成像图(H-I)。

期刊简介

Interdisciplinary Materials（交叉学科材料）是由Wiley出版集团与武汉理工大学联合创办的开放获取式高水平学术期刊。主编为张清杰院士和傅正义院士。30位国际杰出学者和45位两院院士作为期刊的编辑委员会委员。Interdisciplinary Materials 是国际上聚焦材料与其它学科交叉前沿发起出版的首本“交叉学科材料”领域高水平期刊，旨在发表材料学科与物理、化学、数学、力学、生物、能源、环境、信息等学科交叉研究的最新成果。

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