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碳纤维表面处理及其增强环氧树脂复合材料界面性能研究

作 者: 宋薇
导 师: 梁国正
学 校: 苏州大学
专 业: 材料学
关键词: 碳纤维 环氧树脂 复合材料 表面处理 界面
分类号: TB332
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


碳纤维(CF)增强树脂基复合材料(CFRP)是先进复合材料的典型代表,具有密度小、力学性能优异、耐热、耐低温等优点,在航空航天、军事、汽车、体育等领域具有重要的应用前景。然而CF表面光滑呈惰性,与树脂基体的界面粘结性差,限制了CFRP复合材料性能的发挥。针对CF与与树脂基体界面粘结性差这一问题,本文分别选用PAN基碳纤维和双酚A型环氧树脂(EP)作为复合材料的增强相和树脂基体,展开CF的表面处理及其CFRP复合材料的研究。本文采用氨水处理和浓HNO3处理对CF进行表面改性,并分别采用处理前后的CF制备了CF/EP复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、元素分析(EA)、X-光电子能谱(XPS)、拉伸强度测试及动态接触角分析(DCAA)等方法研究了处理前后CF表面形貌、表面粗糙度、表面元素组成及化学结构、单丝拉伸强度及表面浸润性能的变化。通过单丝拔出实验测试复合材料的界面结合强度(IFSS)来表征复合材料的界面粘结性能。首先,考察了氨水处理对CF表面及其增强EP复合材料界面性能的影响。结果表明,经氨水处理之后,CF表面粗糙程度增大;表面化学组成没有明显变化;CF单丝拉伸强度随处理时间延长而下降,最大降低了18.8%;表面浸润性能得到改善;处理时间为120h时,CF/EP复合材料的IFSS由未处理时的25.1MPa提高到38.9MPa,提高了55.0%,表明表面粗糙度的增加能有效提高CF/EP复合材料的界面粘结。其次,考察了浓HNO3处理对CF表面及其增强EP复合材料界面性能的影响。经浓HNO3处理之后,不仅CF表面粗糙程度增加,表面活性官能团的数量也大大提高了;CF单丝拉伸强度随处理时间延长而下降,最大降低了28.2%;CF对极性强的去离子水的浸润性明显提高,表面自由能增加了8.1%;浓HNO3处理90min时,CF/EP复合材料的IFSS提高了77.2%。将CF表面特性与CF/EP复合材料IFSS结合分析得出:机械锚定和化学键合两种作用同时存在时,机械锚定作用对复合材料的界面粘结起主导作用。最后,基于提高CF/EP复合材料的界面粘结性能的目标,探讨了氨水处理和浓HNO3处理对CF的改性机理,研究了表面粗糙度对复合材料界面性能的影响,分析了机械锚定和化学键合两种作用共同出现并对复合材料界面性能起改善作用时,两个因素之间的关系,以及起主导作用的因素,对碳纤维与树脂间相容性机理的研究具有指导作用。

全文目录


中文摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章 文献综述  11-29
  1.1 碳纤维概述  11-13
    1.1.1 碳纤维的发展现状  11-12
    1.1.2 碳纤维的结构  12-13
    1.1.3 碳纤维的特性  13
  1.2 碳纤维复合材料  13-14
  1.3 复合材料的界面  14-21
    1.3.1 界面层的形成和作用  14-16
    1.3.2 界面层的作用机理  16-18
      1.3.2.1 机械粘结理论  16
      1.3.2.2 化学键合理论  16-17
      1.3.2.3 过渡层理论  17
      1.3.2.4 扩散理论  17
      1.3.2.5 静电理论  17-18
      1.3.2.6 摩擦理论  18
    1.3.3 界面分析方法  18-21
      1.3.3.1 界面力学性能分析  18-19
      1.3.3.2 形貌分析  19-20
      1.3.3.3 化学组成分析  20-21
      1.3.3.4 浸润性分析  21
  1.4 碳纤维表面处理研究进展  21-28
    1.4.1 氧化处理  22-24
    1.4.2 涂层处理  24-25
    1.4.3 等离子体处理  25
    1.4.4 化学气相沉积处理  25-26
    1.4.5 表面接枝处理  26
    1.4.6 超临界流体处理  26-27
    1.4.7 复合表面处理  27-28
  1.5 本课题的提出和研究内容  28-29
第二章 实验部分  29-34
  2.1 实验原料及实验仪器  29
    2.1.1 实验原料  29
    2.1.2 实验仪器  29
  2.2 碳纤维表面处理  29-30
    2.2.1 去涂层  29
    2.2.2 氨水处理  29-30
    2.2.3 浓HNO_3 处理  30
  2.3 复合材料制备  30
  2.4 结构表征和性能测试  30-34
    2.4.1 扫描电子显微镜(SEM)观察  30-31
    2.4.2 原子力显微镜(AFM)观察  31
    2.4.3 元素分析(EA)  31
    2.4.4 X 光电子能谱(XPS)分析  31
    2.4.5 碳纤维单丝强度测定  31-32
    2.4.6 碳纤维浸润性测定  32-33
    2.4.7 复合材料界面结合强度(IFSS)测定  33-34
第三章 氨水改性碳纤维及其增强环氧树脂复合材料界面性能研究  34-49
  3.1 引言  34-35
  3.2 结果与讨论  35-47
    3.2.1 纤维表面形貌分析  35-38
      3.2.1.1 纤维表面SEM 分析  35-36
      3.2.1.2 纤维表面AFM 分析  36-38
    3.2.2 纤维化学组成分析  38-42
      3.2.2.1 纤维EA 分析  38-39
      3.2.2.2 纤维表面XPS 分析  39-42
    3.2.3 氨水处理对纤维单丝强度的影响  42-45
    3.2.4 纤维表面浸润性分析  45-46
    3.2.5 氨水处理对复合材料IFSS 的影响  46-47
  3.3 本章小结  47-49
第四章 浓HNO_3改性碳纤维及其增强环氧树脂复合材料界面性能研究  49-64
  4.1 引言  49
  4.2 结果与讨论  49-62
    4.2.1 纤维表面形貌分析  49-51
      4.2.1.1 纤维表面SEM 分析  49-51
      4.2.1.2 纤维表面AFM 分析  51
    4.2.2 纤维化学组成分析  51-59
      4.2.2.1 纤维EA 分析  51-54
      4.2.2.2 纤维表面XPS 分析  54-59
    4.2.3 浓HNO_3 处理对纤维单丝强度的影响  59-60
    4.2.4 纤维表面浸润性分析  60-61
    4.2.5 浓HNO_3 处理对复合材料IFSS 的影响  61-62
  4.3 本章小结  62-64
第五章 结论  64-65
参考文献  65-76
攻读硕士学位期间发表的论文  76-77
致谢  77-78

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 非金属复合材料
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