γ射線輻照對腰形碳纖維及其復合材料界面的影響.pdf

1、本文研究了碳纖維的截面形狀由圓形變?yōu)檠魏?，纖維表面、復合材料界面及纖維在復合材料中分布的變化。采用高效、節(jié)能和便捷的γ射線輻照接枝技術(shù)對腰形截面碳纖維進行改性，分析研究了γ射線輻照對腰形纖維表面物理化學性能、復合材料界面性能和纖維本體結(jié)構(gòu)的影響。
　　采用X射線光電子能譜(XPS)、掃描電子顯微鏡(SEM)和表面能測試對腰形和圓形截面碳纖維表面進行研究。結(jié)果表明，腰形截面碳纖維的表面能及其非極性分量高于圓形截面碳纖維，二者的截面

2、不同，表面元素組成相同。BET吸附測試則發(fā)現(xiàn)，腰形截面碳纖維的比表面積和表面孔徑明顯高于圓形截面碳纖維，結(jié)果前者對環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂的浸潤性也略高于后者。由XRD分析可知兩種纖維的石墨化程度基本相同。
　　使用層間剪切強度(ILSS)和界面剪切強度(IFSS)評價復合材料界面性能，腰形纖維環(huán)氧復合材料的界面粘接性能優(yōu)于圓形截面纖維，前者的IFSS比后者高33％。腰形纖維復合材料的拉伸、壓縮和彎曲強度也略高于圓形纖維復合材料。通過S

3、EM和金相顯微鏡研究了復合材料的斷口形貌和橫斷面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：腰形纖維的凹面與樹脂基體之間相互嵌合形成了“錨釘”效應，腰形截面碳纖維凸凹面相扣的抱團現(xiàn)象使纖維和樹脂基體的界面不易受到破壞，腰形截面碳纖維凹面與凹面相對的現(xiàn)象則不利于樹脂對纖維的浸潤，腰形截面碳纖維在復合材料中的分布均勻性差。
　　通過實驗，確定了腰形截面碳纖維合適的輻照接枝劑量為300kGy，輻照劑量率為6kGy/h。選定環(huán)氧樹脂/丙酮溶液共輻照、環(huán)氧氯丙烷共輻照和丙

4、烯酸預輻照為主要研究對象。實驗還發(fā)現(xiàn)硝酸鐠溶液的共輻照處理對腰形纖維的表面改性也頗為明顯。SEM和原子力顯微鏡(AFM)分析發(fā)現(xiàn)，共輻照和預輻照處理后纖維表面的溝槽更清晰，纖維表面分布著一些不均勻的粘附物。采用XPS元素分析后發(fā)現(xiàn)，纖維表面O/C升高，羧基和羰基官能團明顯增加，纖維表面未形成接枝層。輻照處理后纖維表面能增加。嘗試采用熱重分析(TGA)的方法研究吸附樹脂后的碳纖維熱分解性能，以分析纖維輻照處理前后對樹脂的吸附性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除

5、空氣中輻照處理外，其它輻照處理方法都不同程度的提高了纖維對樹脂的吸附能力。
　　采用復合材料的ILSS評價各種輻照接枝改性的效果，丙烯酸的預輻照效果優(yōu)于共輻照，環(huán)氧氯丙烷的共輻照效果略好于預輻照，環(huán)氧樹脂丙酮溶液共輻照的改性效果最明顯，環(huán)氧復合材料的ILSS提高了20.2%。γ射線輻照接枝達到了等離子體的處理效果，并高于涂層和超聲處理。通過SEM分析還發(fā)現(xiàn)，輻照處理后復合材料破壞斷面粘附了大量的樹脂，纖維和樹脂基體間“錨釘”效應明

6、顯。根據(jù)電子順磁共振譜(ESR)測試結(jié)果，推斷纖維與輻照介質(zhì)之間發(fā)生了自由基接枝反應，并探討了接枝過程和復合材料界面改善機理。
　　為研究γ射線輻照對腰形纖維本體各部分結(jié)構(gòu)變化的影響，采用XRD和Raman光譜對腰形纖維、石墨粉和無定型碳粉進行結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果表明，隨著輻照劑量的增加，纖維的(002)晶面間距逐漸減小，趨向于理想石墨的晶面間距，在2000kGy輻照劑量下d002的最大變化可達0.066nm，纖維表層石墨微晶尺寸La則

7、隨吸收劑量則先增加后減小。輻照處理后石墨(002)晶面間距變小，石墨化程度提高，無定型碳粉結(jié)構(gòu)則并未發(fā)生變化仍以無定型碳的形式存在。
　　采用浮沉法測試纖維密度，隨著輻照劑量的增加，碳纖維的密度先增加而后逐漸穩(wěn)定下來。分別使用碳纖維復絲和單絲測試，并使用雙參數(shù)Weibull模型評價纖維力學性能的變化，實驗表明腰形纖維的抗拉強度隨輻照劑量的增加先增加后減小，輻照劑量超過1000kGy時抗拉強度低于未處理纖維。楊氏模量隨著輻照劑量的增