【摘要】：隨著各行業(yè)對材料輕量化和卓越性能的追求,碳纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用越來越廣泛。碳纖維與聚合物基體之間的界面是決定復(fù)合材料性能的重要因素之一,兩者之間的界面強(qiáng)度一直是提升復(fù)合材料性能的瓶頸所在。纖維與基體之間較好的潤濕作用是形成優(yōu)良界面的前提,良好的機(jī)械嚙合、化學(xué)鍵合等相互作用是提高復(fù)合材料界面強(qiáng)度的保證。目前,接觸角的測量是評(píng)價(jià)碳纖維潤濕性的主要方法。由于碳纖維的直徑尺寸極為細(xì)小,接觸角測量時(shí)受到的表面張力又十分微小,導(dǎo)致測得的碳纖維單絲接觸角結(jié)果與真實(shí)值之間存在偏差;同時(shí),目前雖然有許多旨在提高復(fù)合材料界面性能的碳纖維表面的改性方法,一定程度上提高其界面性能,但都普遍存在著處理工藝復(fù)雜、耗能高、污染環(huán)境等問題。因此,本文針對上述存在的問題,開展了相關(guān)的研究工作。在對影響碳纖維單絲接觸角影響因素的分析的基礎(chǔ)上,對現(xiàn)有碳纖維單絲接觸角的測量方法進(jìn)行了改進(jìn),通過分析碳纖維單絲與不同測試液體的動(dòng)態(tài)潤濕行為,結(jié)合動(dòng)態(tài)潤濕理論得到碳纖維在不同測試液體中的靜態(tài)接觸角,并由此計(jì)算出碳纖維的表面能;同時(shí),以提高碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面與性能為目標(biāo),將碳纖維表面進(jìn)行預(yù)浸蔗糖炭化改性�；陟o態(tài)潤濕理論建立的Wilhelmy平板法,分析了碳纖維單絲直徑和測試時(shí)受力對動(dòng)態(tài)接觸角測量的影響,分析結(jié)果發(fā)現(xiàn):在纖維直徑數(shù)值變化的同時(shí),所得到的動(dòng)態(tài)接觸角也隨之發(fā)生變化,當(dāng)接觸角較小時(shí),纖維的受力大小對接觸角的測量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大的影響。采用SEM圖片法對碳纖維單絲直徑進(jìn)行準(zhǔn)確的測量;在碳纖維單絲與液體動(dòng)態(tài)接觸角測量時(shí)對其進(jìn)行受力分析,以改進(jìn)現(xiàn)有的碳纖維單絲接觸角測量方法。研究碳纖維單絲與去離子水、乙二醇、二碘甲烷和甲酰胺在不同測試速度下的動(dòng)態(tài)潤濕行為,結(jié)果發(fā)現(xiàn):測試液體的粘度和碳纖維表面對測試液體的吸附均會(huì)對測試結(jié)果造成影響。利用MKT(Molecular Kinetic Theory)和HD(Hydrodynamic approach)理論對測試結(jié)果進(jìn)行擬合分析,得到碳纖維單絲在各個(gè)液體中的靜態(tài)接觸角;通過分析不同液體組合的矩陣條件數(shù),發(fā)現(xiàn)使用四種液體的組合體系計(jì)算碳纖維單絲表面能最為精確,計(jì)算得到碳纖維單絲表面能為γ_s=37.81 mJ/m~2±0.43 mJ/m~2,極性分量為γ_s~(ab)=5.70 mJ/m~2±0.30 mJ/m~2。通過SEM、FTIR、XPS對碳纖維的表面形貌和化學(xué)組成進(jìn)行研究,結(jié)果表明:T300碳纖維表面的主要活性基團(tuán)為羥基、氨基和羧基。采用TG、DSC分析研究蔗糖在空氣和氮?dú)鈿夥罩械奶炕袨?利用FTIR以及XPS分析不同氣氛、不同溫度下的蔗糖炭化殘余物的化學(xué)結(jié)構(gòu),結(jié)果表明:蔗糖在230 ~oC以上的炭化溫度下,空氣和氮?dú)鈿夥罩刑炕瘹堄辔锏幕瘜W(xué)組成基本相同,主要是醚和醛類化合物所形成的混合物,只是基團(tuán)含量有所不同。以去離子水和乙酸乙酯為溶劑,利用預(yù)浸蔗糖炭化改性碳纖維表面,通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)蔗糖炭化殘余物在碳纖維表面形成可以增加粗糙度的圓形凸起。以預(yù)浸蔗糖炭化改性碳纖維與TDE-85環(huán)氧樹脂復(fù)合制備碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,研究其介觀與宏觀力學(xué)性能。采用微脫粘方法測試得到蔗糖在空氣氣氛中以290 ~oC的溫度進(jìn)行炭化改性的碳纖維具有最高的界面剪切強(qiáng)度,達(dá)到了60.2 MPa±5.0 MPa,較未改性碳纖維提高了20.8%。改性后的碳纖維復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度達(dá)到了31.32 MPa,提高了13.8%,通過SEM觀察發(fā)現(xiàn):預(yù)浸蔗糖炭化改性后的碳纖維復(fù)合材料斷口處幾乎沒有纖維拔出。利用超景深三維顯微鏡觀察沖擊測試后的碳纖維復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)凹坑深度降低了33.9%,裂紋沒有大范圍擴(kuò)展,顯示其具有較好的抗沖擊性能。利用AFM觀察預(yù)浸蔗糖炭化改性碳纖維的表面,其粗糙度增加了126%;采用改性的碳纖維單絲接觸角測量方法對預(yù)浸蔗糖炭化改性碳纖維接觸角進(jìn)行測量,發(fā)現(xiàn)其極性分量提升了11.8%;基于炭化行為分析建立蔗糖炭化殘余物與碳纖維表面和環(huán)氧樹脂的界面模型,對兩種界面體系進(jìn)行差分電荷密度分析,發(fā)現(xiàn)蔗糖炭化殘余物與碳纖維和環(huán)氧樹脂之間均存在電子的遷移和得失,表明其與碳纖維表面存在著弱的分子間作用力。良好的潤濕性、粗糙的碳纖維表面結(jié)構(gòu)、弱的分子間作用力的協(xié)同作用,為碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的界面性能提供了保證。
【圖文】：

測量法一個(gè)不受力場影響的空間，且這個(gè)液滴本身為型，，這是因?yàn)榻缑鎻埩Φ拇嬖谒�。液滴的形因液滴�?nèi)部的內(nèi)聚力會(huì)使其發(fā)生改變，同時(shí)液也會(huì)對液滴的形狀造成影響。在固體平面上放況，第一種情況就是液滴能自動(dòng)地在固體表面液滴是以一定的接觸角在固體表面停留[10]。接觸直接測量液滴三相接觸點(diǎn)的正切角，是 Bigelow的儀器，用來測量各種液體在平滑表面的接觸角的商用接觸角測角儀于 1960 年代初由 ramé-ha量儀包含水平測試臺(tái)（用于擺放固體或液體樣形成液滴）、照明光源和配備了帶量角器目鏡的方法實(shí)現(xiàn)的，通過目鏡讀出液體在三相接觸點(diǎn)1-1 所示。

基底上存在雜質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)或者影響更高。至于測量的準(zhǔn)確性決于正切線位置的選擇，多個(gè)用戶之間可能會(huì)存在主觀性的不測量法的另一個(gè)不足之處在于較小的接觸角很難精確測量，當(dāng)液平面時(shí)，很難準(zhǔn)確確定切線位置。同樣的，液滴的尺寸大小也會(huì)測量結(jié)果，導(dǎo)致均一性差的情況發(fā)生�；妆砻娴牟痪恍曰虼譁y量結(jié)果的變化[15-17]。雖然有許多的缺點(diǎn)，光學(xué)接觸角測量法要求不高時(shí)最方便的接觸角測量方法。接力學(xué)測量法elmy 平板法[18]是一種廣泛應(yīng)用的間接測量固體樣品接觸角的測個(gè)薄的，較為光滑的，垂直的板與液體接觸時(shí)，其重量的變化是器測量的，傳感器上的力變化是浮力和表面張力的結(jié)合，如圖 ，只要知道液體表面張力和固體周長，接觸角值可以很容易地計(jì)少數(shù)情況下，當(dāng)固體與液體的接觸角為零，固體的潤濕周長已知體的表面張力進(jìn)行測量。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ342.742;TB332

【參考文獻(xiàn)】

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1 張攀攀;趙憲花;王學(xué)琴;李承榮;;高分子材料在水路運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景[J];工程塑料應(yīng)用;2015年06期

2 彭公秋;楊進(jìn)軍;曹正華;謝富原;;碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的界面[J];材料導(dǎo)報(bào);2011年07期

3 張敏;朱波;于美杰;魏晗興;趙越;;聚丙烯腈基碳纖維電化學(xué)改性研究現(xiàn)狀與展望[J];材料導(dǎo)報(bào);2010年09期

4 李陽;溫月芳;楊永崗;劉朗;;環(huán)氧樹脂上漿劑對PAN基碳纖維性能的影響[J];合成纖維工業(yè);2009年02期

5 蔣秋林;趙其明;;纖維接觸角測定方法研究[J];合成纖維;2008年05期

6 肖紅;施楣梧;于偉東;;基于力分析的纖維浸潤性能測試方法[J];材料科學(xué)與工藝;2007年06期

7 侯忠良;狄劍鋒;齊宏進(jìn);;潤濕天平法測量纖維接觸角的研究[J];合成纖維;2007年03期

8 張春華,黃玉東,周晏云,欒士林;用于輻照改性的PBO纖維復(fù)合材料的樹脂體系配方設(shè)計(jì)及其性能研究[J];玻璃鋼/復(fù)合材料;2005年03期

9 王宜,胡健,張英東,程小煉,羅果,李琳;液滴形狀法測量纖維接觸角的研究[J];合成纖維工業(yè);2004年02期

10 殷永霞,沃西源;碳纖維表面改性研究進(jìn)展[J];航天返回與遙感;2004年01期

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1 馬麗春;碳纖維表面化學(xué)修飾及其復(fù)合材料界面性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

2 胡偉;碳納米材料的第一性原理研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

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2 張夏明;酚醛樹脂表面改性碳纖維界面行為與炭化工藝研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

3 趙瑩;顆粒炸藥撞擊力學(xué)試驗(yàn)和數(shù)值模擬[D];北京理工大學(xué);2015年

4 劉金龍;Ni/C復(fù)合材料的制備及電化學(xué)性能的研究[D];太原理工大學(xué);2014年

5 常曉云;碳納米管/PAMAM/碳纖維復(fù)合材料界面性能表征[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

6 姜艷艷;電化學(xué)合成法修飾高模碳纖維表面的研究[D];北京化工大學(xué);2009年

本文編號(hào)：2685648