碳纖維表面和界面性能研究及評(píng)價(jià).pdf

1、碳纖維作為一種新型無機(jī)材料，被廣泛的應(yīng)用于先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)體。碳纖維與基體間的界面對(duì)其復(fù)合材料性能的發(fā)揮起著非常重要的作用，通過界面有效地傳遞載荷，使碳纖維與基體形成一個(gè)具有高效綜合性能的整體。而在界面的研究中，提高其碳纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度是改善復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。因此，對(duì)碳纖維復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的各種影響因素進(jìn)行分析，是提高復(fù)合材料綜合性能的直接措施。
　　首先，用自主研發(fā)的水性聚氨酯環(huán)氧樹脂上漿劑對(duì)碳纖維上漿，探討了上

2、漿劑在碳纖維裸絲及其復(fù)合材料界面性能的貢獻(xiàn)。其次，重點(diǎn)研究了以等離子體接枝高聚物作為媒介物對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，來解決碳纖維/漿料的粘結(jié)強(qiáng)度等問題。系統(tǒng)分析了這種物理化學(xué)相結(jié)合的表面處理，后聯(lián)合上漿的綜合改性過程中碳纖維表面性能的變化規(guī)律，同時(shí)深入研究了綜合改性處理后碳纖維表面、上漿劑以及基體樹脂間復(fù)合界面的結(jié)合機(jī)理。
　　采用掃描電鏡(SEM)、動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試儀、X射線光電子能譜(XPS)、熱重分析儀(TG)、傅立葉變換紅外光譜

3、(FTIR)等測(cè)試技術(shù)表征了碳纖維及其復(fù)合材料的性能。碳纖維經(jīng)自主研發(fā)的水性乳液聚氨酯漿料上漿劑處理后，力學(xué)性能有所提高，漿料起到了補(bǔ)強(qiáng)的作用;同時(shí)有效地改善了毛絲量和耐磨性能;但耐水性能變差。在上漿前對(duì)碳纖維進(jìn)行預(yù)烘干處理，能明顯地提高上漿率和耐磨性。另外，碳纖維在漿槽中的浸膠時(shí)間和漿紗的烘干溫度對(duì)碳纖維的性能也有重要影響。
　　結(jié)合紅外和XPS分析得出，漿料中的羥基、羰基和氨基等活性官能團(tuán)經(jīng)上漿后移植于碳纖維表面，能夠明顯改善

4、纖維與樹脂基體的浸潤(rùn)性能。同時(shí)，經(jīng)過單纖維碎裂法測(cè)試碳纖維復(fù)合材料的IFSS驗(yàn)證，上漿后剪切強(qiáng)度得到明顯提高，不同增塑劑上漿對(duì)碳纖維復(fù)合材料的界面結(jié)合性能影響很大。漿料中增塑劑的添加對(duì)碳纖維的耐磨性和毛絲量有很大影響，而對(duì)吸水性、表面粗糙度和表面能的色散部分影響較小。
　　結(jié)合常壓介質(zhì)阻擋放電等離子體的電學(xué)診斷分析得出:在常壓環(huán)境下，影響等離子體放電狀態(tài)的兩個(gè)最重要的參量為放電功率與氣體成份。放電功率的提升能提升等離子體區(qū)域的電子

5、能量和密度，但兩者并不成正比關(guān)系，尤其在發(fā)生氮-氧激發(fā)過程后，反而會(huì)降低其放電能量。同樣的，氣體成份中氧氣比例過大也會(huì)引起這一變化。所以，在常壓介質(zhì)阻擋放電的過程中，可以針對(duì)這兩個(gè)主要參數(shù)對(duì)放電過程進(jìn)行一定優(yōu)化。
　　碳纖維經(jīng)等離子體處理后表面溝槽略有加深。表面能分析得出，低壓長(zhǎng)時(shí)間的等離子體處理?xiàng)l件能達(dá)到與高壓短時(shí)間的處理效果;且處理氣氛中通入微量的氧對(duì)碳纖維表面自由能有極大影響。輕微的等離子體處理?xiàng)l件能使得碳纖維的拉伸強(qiáng)度離散

6、性降低。同時(shí)，得出了等離子體處理的最優(yōu)工藝條件90s/60W。
　　經(jīng)等離子體引發(fā)上漿改性輕微地改善了碳纖維的上漿率、耐磨性能，表面能。此種方法較未經(jīng)等離子體處理上漿碳纖維的拉伸強(qiáng)力變化不大。另外，等離子體表面處理后碳纖維表面粗糙度增加，碳纖維表面與漿料涂層間的機(jī)械嚙合增強(qiáng)了上漿率，XPS也得出了碳纖維表面活性官能團(tuán)增加了1.65％，當(dāng)與環(huán)氧樹脂基體制成碳纖維復(fù)合材料時(shí)，其界面剪切性能提高了19.29％。
　　等離子體活化接

7、枝實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明過長(zhǎng)的等離子體處理時(shí)間和過高的處理功率影響其接枝率。引入的酸酐基團(tuán)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)生成的聚合物顆粒產(chǎn)物使得碳纖維表面粗糙度增加。表面能隨著接枝率的提高而增加，結(jié)合紅外、熱失重和XPS分析可知，經(jīng)等離子體活化接枝處理后碳纖維表面C-O、C=O和O-C=O等含氧基團(tuán)明顯增加。碳纖維與環(huán)氧樹脂的IFSS較等離子體處理碳纖維增加30.03％。
　　等離子體接枝預(yù)處理聯(lián)合上漿處理明顯的提高了碳纖維的上漿率、耐磨次數(shù)、毛絲量和單纖強(qiáng)

8、度。最為有效的改善了碳纖維漿紗的吸水性，使其吸水率小于0.1％。表面能結(jié)果表明，等離子體接枝在碳纖維表面引入了更多極性基團(tuán)與漿膜發(fā)生反應(yīng)生成新的極性官能團(tuán)使得表面能明顯高于上漿處理碳纖維。結(jié)合紅外和XPS分析，經(jīng)過等離子體接枝處理碳纖維表面生成更多的羧基、羥基、羰基和酸酐，這些極性基團(tuán)與漿料中的環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)使得碳纖維漿紗的表面含有更多的極性基團(tuán)，其浸潤(rùn)性能提高。經(jīng)過等離子體接枝處理上漿碳纖維的界面剪切強(qiáng)度較未處理碳纖維的IFSS增強(qiáng)