【摘要】：碳纖維(CF)是含碳量在90%以上的無(wú)機(jī)纖維,與樹(shù)脂基體經(jīng)復(fù)合工藝制得的復(fù)合材料性能優(yōu)異,已廣泛應(yīng)用在航空航天、導(dǎo)彈和民用領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能與碳纖維和基體的界面粘接性能相關(guān),未經(jīng)處理的碳纖維的表面能低,表面微晶尺寸較大,與樹(shù)脂基體的界面結(jié)合較弱,因此要對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理。本文的研究目的就是通過(guò)各種方法進(jìn)行碳纖維的表面改性,以提高碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能及層間性能。碳納米管、石墨烯自問(wèn)世以來(lái),一直是碳材料研究的焦點(diǎn),通過(guò)處理可以獲得豐富的活性官能團(tuán)及良好的分散性,用其處理碳纖維表面,可以顯著改善碳纖維與基體樹(shù)脂的界面性能。首先,本文通過(guò)對(duì)碳纖維表面碳納米管的連續(xù)化生長(zhǎng)工藝的探究來(lái)對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性,方法是：碳纖維走絲經(jīng)臥式碳化爐時(shí),采用化學(xué)氣相沉積法在碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管。本文經(jīng)過(guò)詳細(xì)討論及大量實(shí)驗(yàn)研究可能影響碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管的連續(xù)化生產(chǎn)工藝的各種參數(shù)后,確定了最佳的連續(xù)化工藝：即利用低溫燃燒法對(duì)碳纖維進(jìn)行去膠處理,選擇二茂鐵作為催化劑,以二甲苯為溶劑；選擇750℃,氮?dú)獯祾?控制含碳?xì)怏w與氮?dú)獾谋壤�；碳纖維以8m/h走絲速度連續(xù)穿過(guò)石英管,實(shí)現(xiàn)碳纖維表面碳納米管的連續(xù)化生長(zhǎng),通過(guò)掃描電鏡(SEM)及透射電鏡(TEM)等測(cè)試分析,可觀察到碳纖維表面有一層直徑為20-100nm、長(zhǎng)度為2-5um的碳納米管。通過(guò)化學(xué)接枝改性的方法對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理,主要方法為碳纖維接枝碳納米管、碳纖維接枝氧化石墨烯。1)碳纖維接枝碳納米管的機(jī)理為：以乙二胺為中間體,采用水熱法,將酸化的碳納米管接枝到處理的碳纖維上；本文經(jīng)過(guò)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)及討論確定了碳纖維接枝碳納米管的最佳工藝為：以碳納米管：N,N-二甲基甲酰胺為1(g)：1000(ml)的比例,在其中一定量的乙二胺；將碳纖維加入水熱釜,將水熱釜放入180℃烘箱中反應(yīng)48h,得到多尺度增強(qiáng)體。2)碳纖維接枝氧化石墨烯：利用硅烷偶聯(lián)劑KH550處理酸化處理的T300碳纖維,將碳纖維放入由改進(jìn)H法制備的氧化石墨烯水溶液中,通過(guò)碳纖維表面的硅烷偶聯(lián)劑與氧化石墨烯之間的電荷吸附作用及化學(xué)反應(yīng),然后通過(guò)熱處理將氧化石墨烯接枝到碳纖維表面,并對(duì)碳纖維多尺度增強(qiáng)體表面官能團(tuán)、表面形貌、表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,由于石墨烯包覆碳纖維的表面,并且碳纖維與氧化石墨烯之間形成了化學(xué)鍵,改善了碳纖維的表面結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)還對(duì)表面處理后碳纖維的力學(xué)性能、傳導(dǎo)性能以及單絲層間剪切性能做了測(cè)試,發(fā)現(xiàn)：1)碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管后其拉伸強(qiáng)度減小了5.7%,碳纖維復(fù)合材料的單絲層間剪切強(qiáng)度提高了46.0%；2)碳纖維表面接枝碳納米管后其單絲層間剪切強(qiáng)度提高了49.2%；3)碳纖維表面接枝氧化石墨烯后其拉伸強(qiáng)度提高了9.8%,斷裂伸長(zhǎng)率提高了13.1%,單絲層間剪切強(qiáng)度提高了97.2%,說(shuō)明樣品經(jīng)表面處理后其力學(xué)性能和層間性能得到提高。
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【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TQ342.742;TB33
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本文編號(hào)：2282204