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高性能复合材料,以其异常优异高比模量、高比强度、及优异的耐高温性能、多功能性,成为国防建设和空间计划的主要材料,并且已对国民经济的重要部门,特别是在飞机、文体用品、纺织机械和地面交通工具方而起着重要的影响。随着各行业不断改进,使其领域的复合材料用量逐年上升,同时也对材料性能提出更高的要求。为对高性能复合材料发展提供技术理论基础,其基础科学和工程方面的研究尚需深入。为此,本文分别选用高性能热固性,热塑性聚合物较具有代表性的苯并噁嗪和聚醚醚酮作为基体材料。通过改性石墨烯纳米填料的优异分散性能及基体相容性,更有效的对高性能聚合物基体进行纳米尺寸的多功能改性。制备出高性能聚合物纳米复合材料,并对其材料设计,制备工艺,结构与性能关系及改性机理进行研究,为高性能聚合物的纳米改性提供理论基础。(1)首先使用氧化还原法制备不同还原程度的石墨烯。FTIR、EDS、TGA, DSC测试结果表明,经42h还原,含氧官能团逐步取代,含氧量降低6.22%；初始分解温度由55℃升至221℃,热性能显著增强。而微观分散形貌,通过SEM,AFM观察发现,随着还原程度增加,剥离的石墨烯片层堆积团聚先减少再增加,平均尺寸减小90%。分散性能研究,通过UV-vis吸收光谱等表征,结果均显示,不同还原程度的石墨烯在不同溶剂,不同静置时间,不同浓度等多种分散条件下,均出现分散性能随还原程度的增加先提高再变差的趋势。在还原时间为24h时,吸收峰波长和吸收量最大,具有最佳分散效果。根据测试表征结果分析,当还原时间为24h时,石墨烯单片层表面的含氧官能团的有效作用力,即含氧官能团的静电作用力/片层面积的值可能正好达到最大,在水溶液中具有最佳分散性能。(2)对热固性树脂的纳米改性,通过超声熔融共混法制备了聚苯并嗯嗪/改性石墨烯(PBa/iGO)纳米复合材料。据DSC测试研究了氧化石墨烯(GO), iGO对苯并噁嗪单体(Ba)的固化过程能有效催化降低固化温度,有利于材料于工业生产中固化成型。FTIR, DSC表征Ba及Ba/iGO固化前后化学结构的变化、以及阶段升温过程中固化行为。再通过SEM对其固化前后脆断面微观形貌表征显示,iGO分散均匀稳定,与基体相容性良好。TGA、DMA测试显示,iGO引入耐热性能逐渐增强,而玻璃化转变温度仅几乎不变,对链段活性和分子交联度影响较小。纳米改性复合材料的力学性能显示,添加0.1wt%的iGO,体系拉伸强度提高了111.77%；杨氏模量由1453.86上升至1517.23MPa,断裂韧性能显著的提高263.2%,较添加等量未改性RGO改性效果大幅提升。通过测试表征分析,iGO于基体中的稳定均一分散以及与基体较强的相互作用对增韧效果具有显著促进效果。其增韧机理主要为纳米尺寸下裂纹钉锚、裂纹偏转以及填料石墨烯片层拨出卷曲吸能。(3)对热塑性树脂的纳米改性,通过超声处理和旋蒸处理得到单体与石墨烯片层预插层结构,再进行原位缩聚制备了PEEK/RGO复合材料。XRD, DSC, TGA等测试显示,原位缩聚过程中,随着RGO含量增多,PEEK分子量逐渐降低,降低了结晶温度,未改变PEEK晶型结构。当RGO添加量为0.1wt%时,结晶度提高了8%,而进一步添加RGO阻碍链段运动却降低了结晶度。RGO的引入降低了聚合物分子量,却因本身较优异的热性能及分散,未改变熔点,且大幅提高初始分解温度,提高了复合材料的总体热性能。通过摩擦性能测试可知,PEEK/RGO-0.5wt%的摩擦系数COF由0.161降至0.078,磨损率降低80.19%。结合摩擦性能测试后试样SEM图,初步研究了RGO改善PEEK耐磨性能的机理,RGO的加入,增加了PEEK的表面硬度及热性能,使其在摩擦过程中表面软化和分解得到有效抑制,且RGO的层状结构在摩擦过程中发生的层间相对位移起到了固体润滑作用,使PEEK表面可运动薄膜能够更好地保护摩擦表面,因此PEEK耐磨性能能有效地得到提高。纳米填料的改性及制备工艺的改善,改善了纳米级填料于基体中分散问题,且增强聚合物基体与纳米填料间相互作用力,更有效大幅改善聚合物的性能,适用于更加苛刻的要求。