碳纖維表面可控接枝聚合改性及其復(fù)合材料界面模擬研究.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer composites, CFRP)具有高的比模量和比強(qiáng)度、可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天航空、武器裝備等軍用領(lǐng)域以及汽車、體育用品、建筑材料等民用領(lǐng)域。但由于碳纖維需要在惰性氣氛中經(jīng)過(guò)高溫石墨化處理，使得碳纖維表面活性基團(tuán)少，惰性大，因此與樹脂基體的浸潤(rùn)性以及粘接性較差，界面處容易出現(xiàn)破壞，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的整體性能的發(fā)揮以及使用壽命。

2、　　本文首先通過(guò)活性自由基聚合法在碳纖維表面引入梳型聚合物以制得梳型聚合物/碳纖維多尺度增強(qiáng)體，然后以環(huán)氧樹脂為基體，制得多尺度增強(qiáng)體/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，并對(duì)得到復(fù)合材料力學(xué)性能及界面性能進(jìn)行表征，研究梳型聚合物的引入對(duì)復(fù)合材料性能的影響。同時(shí)，通過(guò)分子模擬構(gòu)建復(fù)合材料模型，從界面能角度研究碳纖維多尺度增強(qiáng)體對(duì)復(fù)合材料界面的影響。具體完成內(nèi)容如下：
　　(1)通過(guò)丙酮-硝酸法和硅烷偶聯(lián)劑(KH550)的水解縮合反應(yīng)對(duì)原始碳纖維(C

3、F-Raw)進(jìn)行表面預(yù)處理，得到硅烷偶聯(lián)劑接枝碳纖維(CF-KH550)，然后通過(guò)酯化反應(yīng)將鏈轉(zhuǎn)移劑錨固到碳纖維表面；最后，通過(guò)可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合(RAFT)以及原子轉(zhuǎn)移自由基聚合將梳型聚合物（poly(4-vinylbenzyl chloride-g-glycidyl methacrylate)，P(VBC-g-GMA））接枝在碳纖維表面，制得梳型聚合物接枝碳纖維多尺度增強(qiáng)體（CF-P（VBC-g-GMA））。通過(guò)傅里葉紅外吸收

4、光譜儀(FT-IR)、綜合熱分析儀(TGA)、X射線光電子能譜(XPS)等對(duì)得到的碳纖維多尺度增強(qiáng)體進(jìn)行表征，結(jié)果表明梳型聚合物成功接枝在碳纖維表面，且接枝率為26.37％，場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)觀察結(jié)果表明CF-P(VBC-g-GMA)表面被聚合物包覆，氧化過(guò)程中造成的凹槽被修復(fù)。
　　(2)以不同改性階段的碳纖維為增強(qiáng)體，雙酚A型環(huán)氧樹脂(E-51)為基體，三乙烯基四胺(TETA)為固化劑，通過(guò)熱壓工藝制備出復(fù)合

5、材料。對(duì)得到的復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行表征，結(jié)果表明：梳型聚合物的引入可明顯改善復(fù)合材料的力學(xué)性能和界面性能，與未改性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比，CF-P(VBC-g-GMA)的單絲拉伸強(qiáng)度和復(fù)絲拉伸強(qiáng)度分別升高22.00%和14.25%；復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度提升23.70%；層間剪切強(qiáng)度(ILSS)提升了31.29%。而界面剪切強(qiáng)度(IFSS)則更是提高了101.88%。場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡結(jié)果顯示，CF-Raw/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料斷口處纖維拔出較多

6、，且被拔出的纖維表面光滑，而CF-P(VBC-g-GMA)/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的斷口僅有少量的纖維被拔出，且拔出纖維的表面黏附有大量基體樹脂，表明CF-P(VBC-g-GMA)與樹脂間的黏附作用增強(qiáng)，界面強(qiáng)度提高。
　　(3)借助Materials Studio(MS)構(gòu)建復(fù)合材料模型，從原子尺度出發(fā)研究界面層對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的影響。以Forcite為運(yùn)算環(huán)境進(jìn)行分子力學(xué)計(jì)算，完成結(jié)構(gòu)的幾何優(yōu)化；在NVT系綜， Universal力場(chǎng)