高性能碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料以其高比模量和高比强度而成为衡量航空航天器技术水平的关键指标[1,2]。近年来，随着对高性能和轻质结构材料需求的增加，CFRP材料在航空航天领域的应用不断扩展。这些材料经常暴露在极端的服务环境中，如高温、长期暴露和热氧化环境中[2],[3],[4],[5],[6],[7]。在这些环境条件下，热暴露尤为重要[8]。当温度接近或超过基体的上限时，由于基体氧化加速、界面劣化和微裂纹形成，机械性能可能会迅速下降[9],[10],[11]。尽管在某些实际应用中，材料仍需在长时间热暴露后保持结构完整性和一定的机械性能，而不会发生灾难性失效[9],[12],[13],[14],[15],[16]。为了在这种极端条件下保持耐用性和稳定性，采用了多种耐热聚合物基体，如聚苯硫醚（PS）、聚芳醚酮（PAEK）、双马来酰亚胺（BMI）和邻苯二甲腈（PN）来制造CFRP复合材料[17],[18],[19],[20],[21]。其中，聚酰亚胺和PN树脂因其刚性的芳香环和杂芳香单元而具有优异的热稳定性。此外，PN树脂在固化工艺性、成本效益和制造灵活性方面也具有明显优势。因此，PN树脂被认为是适用于长期高温服务的复合材料的理想基体候选材料[22],[23],[24],[25],[26]。然而，在高温下，PN基体会发生显著的热分解，从而不可避免地降低整体性能，包括机械性能和耐热性[27]。因此，提高耐热性和延缓基体的热分解过程是制备高性能CFRP材料的有效方法。
通过添加含有耐热元素（如B、Ti和Zr）的无机成分，可以改善邻苯二甲腈树脂的耐热性[28],[29],[30],[31]。这些无机成分通过限制树脂基体与热氧化环境的直接接触来降低质量损失率。例如，用BC4粉末改性的联苯型邻苯二甲腈在1000°C时的质量损失温度增加，炭化产率高达69.3%[32]。此外，增加树脂中无机成分的密度可以降低固化系统的热降解速率。因此，提高成分密度或促进形成致密的保护层是实现邻苯二甲腈树脂长期热稳定性的有效方法。碳硼烷作为一种有吸引力的无机添加剂，其硼含量约为33%。硼原子在约400°C时氧化形成熔点较低的氧化硼，这些氧化硼附着在树脂基体表面，提供对热氧化攻击的保护[33],[34],[35]。此外，由于碳硼烷的路易斯酸性，它们可以催化PN树脂的固化，从而增加树脂基体的交联密度，提高其在高温条件下的稳定性[36],[37],[38]。
尽管有这些改进，但在高温下树脂基体的热氧化降解仍会导致复合材料长期机械性能的下降。因此，需要采取有针对性的优化策略。根据先前的研究，复合材料的层间区域含有相对较高的树脂含量，这是限制其长期高温性能的主要因素之一，因此层间增强被认为是提高复合材料长期高温耐久性的关键方法[39],[40],[41],[42]。虽然添加无机填料可以直接提高耐热性，但团聚和兼容性问题往往会导致机械性能的下降。例如，有研究表明，在PN基体中加入耐热热塑性聚合物（如PEN和PI）可以改善机械性能，在室温下层间剪切强度可达78 MPa[43]。然而，这些聚合物在长期高温暴露下仍会逐渐发生热氧化降解，这最终限制了它们的应用潜力[16,44]。
碳纳米管薄膜（CNF）在高温条件下表现出优异的耐热性和长期结构稳定性[45]，并已被广泛用于改善各种聚合物基体复合材料的层间性能[46],[47],[48],[49]。薄膜表面的碳纳米管通过桥接和固定作用增强复合材料的机械性能[46,48,50]。它们在高温下的稳定性能以及层间增强效果为提高复合材料的长期高温性能提供了有希望的方法。
本文提出了一种集成策略，同时提高PN复合材料的耐热性和机械性能。碳硼烷用于提高PN基体的长期热稳定性，而CNF用于增强层间强度。通过非等温差示扫描量热法（DSC）和流变分析研究了碳硼烷对固化行为的影响，为复合材料制备过程中的固化循环提供了依据。此外，还使用TG-IR分析阐明了碳硼烷对热分解过程的影响。系统评估了CNF和碳硼烷的联合效应，以评估它们对复合材料长期热性能的综合影响。这项工作为开发适用于航空航天器耐热结构组件的PN复合材料建立了一种有效的改性策略。
