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文檔簡(jiǎn)介
1、碳纖維(carbon fiber,CF)增強(qiáng)甲基苯基硅樹脂(methylphenylsiliconeresin,MPSR)復(fù)合材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、介電性、耐候性、耐輻射性、質(zhì)量輕、以及熱膨脹系數(shù)低等特點(diǎn),是理想的航空航天熱防護(hù)材料。但是,碳纖維與MPSR之間弱的結(jié)合性能不利于復(fù)合材料綜合性能的發(fā)揮,極大地限制了復(fù)合材料在航空航天等軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用。所以,必須有針對(duì)性地改性MPSR或者碳纖維,從而提高CF/MPSR復(fù)合材料的界面粘接強(qiáng)
2、度。MPSR是一種以Si-O-Si為骨架典型的半無(wú)機(jī)熱固性樹脂。雖然獨(dú)特的Si-O鍵結(jié)構(gòu)賦予MPSR優(yōu)異的耐熱性能,但卻使其難于改性修飾。因此,為了提高CF/MPSR復(fù)合材料的界面性能,需對(duì)光滑且惰性的碳纖維表面進(jìn)行活化處理。根據(jù)基體MPSR的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域,選取具有優(yōu)異耐熱性能和機(jī)械性能的納米二氧化硅(SiO2)、三硅醇苯基倍半硅氧烷(TriSilanolPhenyl POSS)以及多壁碳納米管(CNTs),通過(guò)物理或化學(xué)方法將這
3、些納米結(jié)構(gòu)接枝到纖維表面,以此來(lái)提高碳纖維與MPSR之間的浸潤(rùn)性、空間嚙合作用、范德華力以及化學(xué)鍵合等物理、化學(xué)作用,旨在改善復(fù)合材料界面性能的同時(shí)提高復(fù)合材料的耐熱性能。
利用濃硝酸氧化、3-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)胺基化和正硅酸乙酯(TEOS)的溶膠-凝膠技術(shù)對(duì)碳纖維進(jìn)行改性處理,在CF/MPSR復(fù)合材料中引入高模量納米SiO2界面相。系統(tǒng)地研究了正硅酸乙酯(TEOS)濃度、纖維表面微觀形貌和復(fù)合材料界面性能三者之間的
4、關(guān)系。納米SiO2的引入改善了纖維表面納米粗糙度和浸潤(rùn)性,使纖維與樹脂之間的接觸面積和機(jī)械嚙合作用得到顯著提高,最終增強(qiáng)了CF/MPSR復(fù)合材料的界面性能。當(dāng)TEOS的濃度為0.05mol/L時(shí),對(duì)纖維表面微觀形貌以及復(fù)合材料的界面性能改性效果最佳。此時(shí),數(shù)量可觀的納米SiO2均勻分散在纖維表面,沒有發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。雜化纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度(ILSS)和界面剪切強(qiáng)度(IFSS)分別提高了35.36%和75.12%,沖擊強(qiáng)度提高了26
5、.91%。與此同時(shí),雜化纖維復(fù)合材料質(zhì)量損失率為5%時(shí)的溫度比未處理復(fù)合材料提高了12.30℃。經(jīng)過(guò)400℃熱氧化處理后,雜化纖維復(fù)合材料的ILSS由未處理時(shí)的23.28MPa增加到29.85MPa,提高了28.22%。雜化纖維復(fù)合材料耐熱性能得到小幅度的改善。
采用化學(xué)接枝法將三硅醇苯基倍半硅氧烷(TriSilanolPhenyl POSS)引入到碳纖維表面,從而在CF/MPSR復(fù)合材料中引入納米POSS界面相。POSS能夠
6、提高纖維表面粗糙度,增加機(jī)械嚙合作用,并且POSS分子中的硅羥基能夠與基體樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在復(fù)合材料界面中引入化學(xué)鍵合作用,極大地增強(qiáng)了基體樹脂與增強(qiáng)體之間的粘接性能。經(jīng)POSS修飾后,碳纖維的單絲強(qiáng)度并未出現(xiàn)明顯降低。與未處理CF/MPSR復(fù)合材料相比,POSS接枝碳纖維(CF-POSS)復(fù)合材料的ILSS和IFSS分別提高了45.30%和89.54%,沖擊強(qiáng)度提高了31.12%。與此同時(shí),雜化纖維復(fù)合材料質(zhì)量損失率為5%時(shí)的溫度比
7、未處理復(fù)合材料提高了67.16℃。經(jīng)過(guò)400℃熱氧化處理后,雜化纖維復(fù)合材料的ILSS由未處理時(shí)的23.28MPa增加到33.26MPa,提高了42.87%。CF-POSS雜化纖維復(fù)合材料的耐熱性能得到顯著的改善。
結(jié)合碳纖維表面濃硝酸氧化、羥基功能化和化學(xué)接枝處理技術(shù),把APS和CNTs以化學(xué)鍵合的形式連接到碳纖維的表面,制備了一種二元接枝的多尺度增強(qiáng)體(CF-APS-CNT)。測(cè)試結(jié)果表明,CNTs在纖維表面以不同的角度均
8、勻分布且沒有團(tuán)聚現(xiàn)象?;瘜W(xué)接枝工藝并未對(duì)纖維單絲強(qiáng)度造成明顯損傷。與未處理CF/MPSR復(fù)合材料相比,CF-APS-CNT二元接枝纖維復(fù)合材料的ILSS和IFSS分別提高了56.50%和102.10%,沖擊強(qiáng)度提高了35.00%。CNTs獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和纖維表面大量的極性胺基基團(tuán)改善了纖維表面粗糙度、表面能、浸潤(rùn)性及化學(xué)反應(yīng)活性,從而提高了復(fù)合材料界面相中的機(jī)械嚙合作用、范德華作用力以及化學(xué)鍵合作用,最終顯著提高了復(fù)合材料的界面性能。與此同
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