题目：碳纳米管有序宏观体制备与树脂复合强化方法研究

碳纳米管是迄今为止世界上强度和模量最高的轻质材料，而且兼具非常优异的功能特性。自其发现以来，将其用于复合材料的增强就是国际研究热点。但是，由于碳纳米管的纳米级尺寸，使其在应用过程中存在分散性的问题。因此，近年来的国际热点开始转向发展以碳纳米管为基础的宏观体，包括巴基纸、连续碳纳米管纤维和碳纳米管薄膜等形式。其中，碳纳米管纤维是碳纳米管沿单一方向有序排列形成的宏观纱线，具有质轻高强的优越性，被广泛认为是第三代先进结构复合材料增强体的良好选择。碳纳米管薄膜兼具巴基纸的高碳纳米管含量以及碳纳米管纤维中碳纳米管取向性可调等特点，并且可直接用于复合材料层板的制备。因此，碳纳米管纤维和薄膜引起了国内外的广泛关注，且已取得了一定进展。但是，在真正实现碳纳米管的工程化应用之前，相关研究还面临很多共性的关键基础问题。其中，碳纳米管性能向宏观体性能转化效率低仍然是现阶段的关键，本论文针对这一核心问题，系统深入开展以碳纳米管为基础的纤维、薄膜和复合材料层板等的制备工艺与树脂复合强化方法研究，对高性能碳纳米管复合材料的制备和应用具有非常重要的理论意义和实用价值。

本文首先研究阵列纺丝法和浮动催化CVD法生产碳纳米管有序宏观体的制备工艺，建立其多尺度结构及其与树脂浸润复合作用的表征方法，重点突破碳纳米管有序宏观体内部碳纳米管排列状态的表征技术，提出了采用偏光拉曼G’峰归一化强度定量表征碳纳米管宏观体内部碳纳米管取向度的方法，明确了碳纳米管纤维与树脂浸润复合状态的测试方法与表征参量，为验证碳纳米管纤维改性效果，揭示碳纳米管纤维/树脂界面传载机制，以及评价取向碳纳米管复合材料性能奠定技术基础。

为进一步提高连续碳纳米管纤维力学性能和电性能，自主设计并建立碳纳米管纤维浸润改性二次强化工艺方法，分别考察树脂浸润和酸化处理改进纤维力学性能和电性能的作用效果与增强机制；重点研究硝酸与硫酸混酸溶液配比、处理时间、水洗及烘干条件等工艺因素对碳纳米管纤维性能的影响，获取最佳工艺参数。优化后同时显著提高了碳纳米管纤维的拉伸强度和电导率。

进一步将不同种类碳纳米管纤维与环氧树脂进行复合，采用单丝断裂饱和断点法研究碳纳米管纤维/树脂复合体系的界面特性。对比分析碳纳米管纤维单丝复合体系与碳纤维单丝复合体系界面破坏行为的差异；重点考察树脂种类、固化温度及碳纳米管结构对碳纳米管纤维/树脂界面性能的影响规律。统计分析碳纳米管纤维本身强度、模量与直径对其与树脂复合体系界面粘结强度的影响。在此基础上，提出碳纳米管纤维/树脂复合体系两级界面概念，指出碳纳米管纤维/树脂复合体系中除纤维整体与树脂基体间微米级界面外，在纤维内部还存在碳纳米管间的纳米级界面，且纳米级界面上碳纳米管间相互作用是影响纤维与树脂间界面粘结性能的关键因素，为提高碳纳米管性能转化效率、发展高性能碳纳米管复合材料提供数据支持和理论依据。

基于可纺丝碳纳米管阵列，发展了取向碳纳米管薄膜制备方法，实现了碳纳米管在二维平面的直接有序组装，避免了纤维制备中加捻对碳纳米管取向度的影响。分别采用热压和牵伸进行工艺改进，解决了碳纳米管屈曲、排列疏松等问题，显著提高了薄膜内部碳纳米管排列致密度和取向度。引入不同树脂溶液制备碳纳米管/树脂复合薄膜，考察树脂种类、工艺因素等对薄膜结构和性能的影响，制备出高强超顺排碳纳米管/双马树脂复合薄膜，其拉伸强度达到4.5GPa，是同体系纤维强度的两倍，比国际报道最高值提高700MPa。在此基础上，建立了碳纳米管/树脂互贯网络模型，揭示了碳纳米管/树脂复合材料性能增强的内在机制，为后续更高性能碳纳米管复合材料的制备提供理论依据。

最后，发展了低成本、易于规模化的浮动催化化学气相沉积工艺方法制备大尺寸碳纳米管薄膜。研究了浮动催化化学气相沉积法制备碳纳米管薄膜的结构特性，探索了碳纳米管薄膜制备复合材料层板的成型工艺和性能测试方法，成功制备出单向铺层和正交铺层的碳纳米管复合材料层板。首次建立了碳纳米管与树脂在线浸润一步法制备碳纳米管复合薄膜的工艺方法，将大尺寸碳纳米管薄膜拉伸强度由200MPa提高到810MPa，为碳纳米管复合材料的制备提供了新途径。