含納米組元界面相對碳纖維-環(huán)氧復(fù)合材料界面性能的影響.pdf

1、碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料因其輕質(zhì)、高比強和高比剛的特性而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。界面作為復(fù)合材料重要的組成部分，影響著復(fù)合材料中應(yīng)力的傳遞方式和均勻分散，以及材料內(nèi)部損傷和裂紋的傳播過程，在很大程度上影響著材料的強度、韌性以及耐環(huán)境和化學(xué)穩(wěn)定性。由于碳纖維表面光滑惰性的物理化學(xué)特征，其與聚合物基體的界面粘結(jié)通常較弱，在使用前必須對其表面進行活化處理，通過增強化學(xué)鍵合、機械鎖合和次價鍵力等化學(xué)機械作用中的一種或幾種提高復(fù)合材料的界面粘

2、結(jié)強度。但是，提高復(fù)合材料界面粘結(jié)強度的同時復(fù)合材料沖擊韌性通常降低。本文以先進聚合物基復(fù)合材料中常用的碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料為研究對象，根據(jù)環(huán)氧樹脂的結(jié)構(gòu)特點，選取了三種含有不同官能團的多面體低聚倍半硅氧烷（Polyhedral oligomeric silsesquioxanes, POSS）和胺基功能化的碳納米管（Carbon nanotubes, CNTs），通過上漿劑涂敷法和化學(xué)接枝法將這些納米組元引入碳纖維表面，達到了對復(fù)合材

3、料界面同時增強增韌的良好改性效果。
　　將aminopropylphenyl POSS、glycidylphenyl POSS以及octaglycidyldimethyl-silyl POSS分別與環(huán)氧樹脂溶液配制成含不同濃度納米組元的上漿劑，并將其涂敷于未處理的碳纖維以及陽極氧化碳纖維的表面。通過掃描電鏡、X-射線光電子能譜和動態(tài)接觸角測試對上漿后碳纖維表面的物理化學(xué)狀態(tài)進行了表征，結(jié)果表明，上漿劑增加了纖維表面粗糙度和表面能，

4、改善了纖維的浸潤性。當(dāng)上漿劑中POSS含量為0.5wt％時，上漿的均勻性最好，POSS結(jié)晶顆粒較小，纖維表面粗糙度適中。當(dāng)三種不同 POSS上漿劑中POSS含量相同時，含octaglycidyldimethylsilyl POSS的上漿劑上漿均勻性最好，這種POSS具有與上漿劑中環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)相近的官能團，在上漿劑中溶解性最好。對復(fù)合材料進行了層間剪切強度、界面剪切強度和沖擊性能測試，并結(jié)合復(fù)合材料破壞斷口的SEM形貌特征研究了含不同種類

5、和不同濃度POSS的上漿劑對復(fù)合材料界面性能的影響。結(jié)果表明，含 POSS上漿劑可以不同程度的改善復(fù)合材料的界面性能，當(dāng)上漿劑中POSS含量為0.5wt%時，復(fù)合材料的界面粘結(jié)強度和沖擊韌性最高，POSS獨特的納米結(jié)構(gòu)對裂紋的誘導(dǎo)、阻礙和偏轉(zhuǎn)是復(fù)合材料界面性能提高的主要原因。當(dāng)上漿劑中含POSS濃度相同時，octaglycidyldimethylsilyl POSS因具有含多活性官能團的柔性側(cè)基，所以對復(fù)合材料界面的改性效果好于含其它兩

6、種 POSS的上漿劑。另外，單純使用含 POSS上漿劑對界面的改性效果弱于單純的陽極氧化處理，兩種方法結(jié)合使用可達到最好的改性效果。
　　將胺基功能化的CNTs與環(huán)氧樹脂溶液配制成不同濃度的上漿劑，并涂敷于未處理的碳纖維和陽極氧化碳纖維表面。測試結(jié)果表明，上漿劑中CNTs濃度為0.5wt%時，對碳纖維表面及復(fù)合材料界面的改性效果最好，此時，碳纖維表面CNTs數(shù)量適中，分布均勻，團聚體較少。CNTs在界面區(qū)域形成的機械錨定和其對裂紋

7、的阻礙是復(fù)合材料界面性能增強的主要原因。
　　為了進一步加強納米組元與纖維表面的作用力，通過化學(xué)反應(yīng)將octaglycidyldimethylsilyl POSS和胺基化的CNTs分兩步接枝在了碳纖維表面。復(fù)合材料機械性能測試結(jié)果表明，POSS接枝和POSS與CNTs二元接枝均可以較大程度的提高復(fù)合材料的界面性能，其中又以二元接枝改性效果最好。通過纖維表面官能團和界面化學(xué)反應(yīng)分析、纖維表面機械嚙合效果分析、纖維與樹脂浸潤性分析以及

8、復(fù)合材料界面微區(qū)硬度測試等四個方面研究了界面相中的納米組元對界面增強增韌的作用機理。接枝后碳纖維表面octaglycidyldimethylsilyl POSS的大量縮水甘油醚基團與聚合物基體中的固化劑發(fā)生反應(yīng)，在碳纖維表面與樹脂基體間形成了強大的化學(xué)作用力；POSS與CNTs增加了纖維表面粗糙度，深入基體中的CNTs與聚合物形成機械嚙合，限制了纖維表面樹脂分子的自由運動，當(dāng)復(fù)合材料受到破壞時，界面相中的納米組元對裂紋的阻礙和偏轉(zhuǎn)，消耗