碳纖維表面改性對其復(fù)合材料界面耐原子氧性能的研究.pdf

1、當(dāng)航天器運(yùn)行在低地球軌道(Low Earth Orbit,LEO)中時,會受到空間環(huán)境中多種因素的影響,而原子氧(Atomic Oxygen,AO)是其中最重要和最危險的因素,原子氧效應(yīng)會影響到航天器材料的正常物理、化學(xué)性能,從而減少航天器的有效運(yùn)行壽命。碳纖維/環(huán)氧樹脂(CF/EP)復(fù)合材料由于其各種優(yōu)異的性能被廣泛地應(yīng)用于航天器材料中,但作為聚合物基復(fù)合材料,其極易受原子氧侵蝕,尤其當(dāng)起其外保護(hù)涂層受到原子氧破壞后,界面易受到原子氧

2、侵蝕而使材料性能進(jìn)一步下降。針對這種情況,本文提出了一種在 CF表面改性以提高CF/EP復(fù)合材料界面耐原子氧性能的方法。根據(jù)碳纖維和環(huán)氧樹脂的特性,文中選取了兩種改性體系,分別為金/硫醇體系和羥基化表面/有機(jī)硅烷體系。
　　研究金/芳基硫醇自組裝體系改性的 CF/EP復(fù)合材料界面,選擇兩種芳基硫醇分子對鍍金后的 CF表面進(jìn)行自組裝改性,分別為對氨基苯硫酚(ATP)和對羥基苯硫酚(HTP)。首先對鍍金碳纖維進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM

3、)、原子力顯微鏡(AFM)和X射線衍射(XRD)測試,結(jié)果表明:Au鍍層致密均勻,且純度很高。其次對自組裝后的碳纖維進(jìn)行表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)和X-射線光電子能譜(XPS)測試,結(jié)果表明自組裝分子在鍍金碳纖維上發(fā)生了化學(xué)吸附。最后采用單絲拔出儀測試來研究 CF/EP復(fù)合材料經(jīng)原子氧暴露前后的界面剪切強(qiáng)度(IFSS)。結(jié)果表明:相比之下鍍金后IFSS值下降,兩種硫醇改性后有所增加。而且,從復(fù)合材料進(jìn)行原子氧暴露處理后 IFSS的變化

4、趨勢看,對于未改性的CF/EP復(fù)合材料隨著原子氧暴露時間的延長,IFSS急劇下降,2h內(nèi)下降幅度達(dá)12.49％;而經(jīng)Au鍍層保護(hù)、HTP改性以及ATP改性的IFSS值8h內(nèi)下降幅度分別為6.73%、3.70%和1.28%。對原子氧暴露處理后的 CF進(jìn)行AFM測試也得到了相同的結(jié)論,即 Au鍍層以及兩種芳基硫醇自組裝改性都可有效地提高 CF/EP復(fù)合材料界面的耐原子氧性能。
　　研究羥基化表面/有機(jī)硅烷體系改性的CF/EP復(fù)合材料界

5、面,選擇三種有機(jī)硅烷分子對羥基化的 CF表面進(jìn)行改性,分別為甲基三甲氧基硅烷(MS),γ氨丙基三乙氧基硅烷(APS),γ(2,3環(huán)氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(GPS)。首先對氧化還原后碳纖維進(jìn)行 XPS和表面能測試,結(jié)果表明:獲得了更大覆蓋度的羥基化表面。其次對有機(jī)硅烷改性后的碳纖維進(jìn)行 XPS、FTIR和AFM測試,結(jié)果表明三種硅烷分子都在碳纖維上發(fā)生了化學(xué)吸附。最后采用單絲拔出儀測試研究CF/EP復(fù)合材料界面其原子氧暴露前后的界面剪