碳纖維表面處理及其增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能研究.pdf

1、碳纖維(CF)增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)是先進(jìn)復(fù)合材料的典型代表,具有密度小、力學(xué)性能優(yōu)異、耐熱、耐低溫等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、軍事、汽車、體育等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。然而CF表面光滑呈惰性,與樹脂基體的界面粘結(jié)性差,限制了CFRP復(fù)合材料性能的發(fā)揮。針對(duì)CF與與樹脂基體界面粘結(jié)性差這一問(wèn)題,本文分別選用PAN基碳纖維和雙酚A型環(huán)氧樹脂(EP)作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相和樹脂基體,展開CF的表面處理及其CFRP復(fù)合材料的研究。
　　

2、 本文采用氨水處理和濃HNO3處理對(duì)CF進(jìn)行表面改性,并分別采用處理前后的CF制備了CF/EP復(fù)合材料。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、元素分析(EA)、X-光電子能譜(XPS)、拉伸強(qiáng)度測(cè)試及動(dòng)態(tài)接觸角分析(DCAA)等方法研究了處理前后CF表面形貌、表面粗糙度、表面元素組成及化學(xué)結(jié)構(gòu)、單絲拉伸強(qiáng)度及表面浸潤(rùn)性能的變化。通過(guò)單絲拔出實(shí)驗(yàn)測(cè)試復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度(IFSS)來(lái)表征復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能。首先,考察

3、了氨水處理對(duì)CF表面及其增強(qiáng)EP復(fù)合材料界面性能的影響。結(jié)果表明,經(jīng)氨水處理之后,CF表面粗糙程度增大；表面化學(xué)組成沒(méi)有明顯變化；CF單絲拉伸強(qiáng)度隨處理時(shí)間延長(zhǎng)而下降,最大降低了18.8％；表面浸潤(rùn)性能得到改善；處理時(shí)間為120h時(shí),CF/EP復(fù)合材料的IFSS由未處理時(shí)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復(fù)合材料的界面粘結(jié)。其次,考察了濃HNO3處理對(duì)CF表面及其增強(qiáng)EP復(fù)合

4、材料界面性能的影響。經(jīng)濃HNO3處理之后,不僅CF表面粗糙程度增加,表面活性官能團(tuán)的數(shù)量也大大提高了；CF單絲拉伸強(qiáng)度隨處理時(shí)間延長(zhǎng)而下降,最大降低了28.2％;CF對(duì)極性強(qiáng)的去離子水的浸潤(rùn)性明顯提高,表面自由能增加了8.1％；濃HNO3處理90min時(shí),CF/EP復(fù)合材料的IFSS提高了77.2％。將CF表面特性與CF/EP復(fù)合材料IFSS結(jié)合分析得出:機(jī)械錨定和化學(xué)鍵合兩種作用同時(shí)存在時(shí),機(jī)械錨定作用對(duì)復(fù)合材料的界面粘結(jié)起主導(dǎo)作用。