發(fā)布時間：2020-07-30 17:02

【摘要】：在碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料(CFRP)這一多相體系中,界面是重要組成部分。界面的有效構(gòu)筑主要依附于兩相的化學(xué)結(jié)合和物理結(jié)合,具體結(jié)合機(jī)理包括范德華力、浸潤,機(jī)械嚙合、毛細(xì)作用、靜電引力,化學(xué)鍵合、納米接枝、偶聯(lián)作用等。在CFRP界面改性和設(shè)計方向中,碳纖維的表面處理是重要手段之一研究者們在物理層面上,增加碳纖維與樹脂基體的機(jī)械嵌合作用,可通過增加碳纖維表面粗糙度或者接枝新的納米相實(shí)現(xiàn);在化學(xué)層面上,引入活性官能團(tuán)以改變碳纖維表面的化學(xué)惰性,提高表面能,增強(qiáng)碳纖維與樹脂基體的浸潤性。本文以先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料中常用的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料為研究對象,在纖維與基體樹脂之間引入過渡的上漿劑界面層,借由上漿涂層改性實(shí)現(xiàn)界面相的應(yīng)力控制,提高復(fù)合材料的機(jī)械性能�？紤]到上漿劑主體高聚物中不同官能團(tuán)的定向反應(yīng)特性,分別利用化學(xué)改性法和乳液聚合法制備了接枝環(huán)氧基和接枝丙烯酸酯基的水性碳纖維上漿劑。通過上漿涂層改性碳纖維(SCF),以期有效改善纖維和基體樹脂間相互作用,增強(qiáng)CFRP界面結(jié)合強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),制得的上漿劑乳液常溫及機(jī)械穩(wěn)定性良好,粒徑小,富含可與基體樹脂化學(xué)鍵合的活性官能團(tuán),熱分解溫度約在400℃。其中,接枝環(huán)氧基上漿劑乳液平均粒徑約4.210μm,粒徑呈現(xiàn)多峰分布;接枝丙烯酸酯基上漿劑乳液平均粒徑約為0.125μm,總體分布范圍較窄。經(jīng)過上述兩種上漿劑乳液上漿后的碳纖維表面缺陷被有效填補(bǔ),同時保留了一定的表面粗糙度,表面化學(xué)反應(yīng)活性增加。復(fù)合材料剪切斷口形貌規(guī)整,纖維與基體間結(jié)合緊密。接枝環(huán)氧基上漿劑改性纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度(ILSS)和界面剪切強(qiáng)度(IFSS)比未處理復(fù)合材料分別提高10.5%和7.0%,而接枝丙烯酸酯基上漿劑改性纖維復(fù)合材料的IFSS和ILSS比未處理復(fù)合材料分別提高14.2%和10.3%。因而接枝丙烯酸酯基碳纖維上漿劑對于CFs表面及復(fù)合材料界面的改性效果更為突出。由此可見,界面相中化學(xué)鍵的種類及數(shù)量在調(diào)控CFRP界面性能中發(fā)揮主導(dǎo)作用,表面缺陷彌補(bǔ)和物理嵌合效應(yīng)對界面相的影響相對弱化。針對接枝丙烯酸酯基上漿劑乳液進(jìn)行物理分級過濾(0.22 μm、0.45 μm、μm、3 μm、5 μm、10 μm),研究乳液粒徑大小及分布對上漿劑乳液本體特性、改性碳纖維表面特性和復(fù)合材料界面特性的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)上漿劑乳液粒徑約為110 mn(P-3上漿劑)時,引入的適當(dāng)厚度的漿膜既可以彌補(bǔ)碳纖維表面缺陷,又可以進(jìn)行表面機(jī)械補(bǔ)強(qiáng)。上漿纖維的表面能極性分量隨乳液粒徑的減小而增大,而色散分量則隨乳液粒徑的減小而減小。同時,適當(dāng)厚度的漿膜界面層也可分散應(yīng)力并抑制裂紋擴(kuò)展,改善復(fù)合材料的ILSS和IFSS。為進(jìn)一步改善CFRP界面粘結(jié)效應(yīng),對引入的上漿劑界面層進(jìn)一步改性,分別采用氧化石墨烯(GO)改性上漿劑法和電泳沉積法(EPD)制備上漿涂層/氧化石墨烯接枝復(fù)合改性碳纖維(GO/SCF),探索利用GO的納米尺寸效應(yīng)調(diào)控上漿劑界面層的微觀結(jié)構(gòu)與相互作用,提出了又一種提高CFRP界面特性的有效途徑。綜合研究了不同EPD工藝對GO/SCF表面特性和復(fù)合材料界面特性的影響,建立了GO納米相在SCF表面的不同微觀接枝模型,提出了對應(yīng)的GO/SCF增強(qiáng)復(fù)合材料的界面斷裂機(jī)制,有助于實(shí)現(xiàn)對CFRP界面特性的設(shè)計和控制。研究發(fā)現(xiàn),GO接枝在調(diào)整SCF表面物理化學(xué)特性和構(gòu)建強(qiáng)化界面層兩方面效果顯著。當(dāng)電沉積工藝優(yōu)化為pH≈10、沉積電壓為20 V、沉積時間為15 min時,在SCF表面接枝GO使得GO/SCF增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(GO/SCF/EP)的界面增韌效果明顯改善,其ILSS和IFSS比SCF增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(SCF/EP)分別提高了6.9%和10.8%。根據(jù)GO/SCF微觀形貌及復(fù)合材料界面相分析,建立了三種GO在SCF表面接枝狀態(tài)的微結(jié)構(gòu)模型,分別為“接枝狀”,“涂層狀”和“包覆狀”沉積模型,分析了不同微觀接枝形貌GO納米相發(fā)揮的特定界面強(qiáng)化效應(yīng)。為進(jìn)一步優(yōu)化CFs表面改性工藝,為上漿劑涂層改性和GO接枝改性創(chuàng)造適宜的改性微環(huán)境并增加表面錨定,預(yù)先對原始CFs進(jìn)行不同改性預(yù)處理,即表面酸化、表面上漿、偶聯(lián)劑浸漬、電化學(xué)氧化,制備表面預(yù)處理/上漿涂層/氧化石墨烯多重改性碳纖維(GO/P-SCF)。分析不同表面預(yù)處理技術(shù)對于后期上漿涂層改性和GO接枝改性的影響,以期全面改善復(fù)合材料界面層的物理化學(xué)作用,提高復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn),除GO/SCF-APTES外,所有多重改性纖維的表面粗糙度較未處理GO/SCF明顯增加。預(yù)先酸化使得多重改性纖維表面GO接枝量大、表面粗糙度高;電化學(xué)氧化利于GO在SCF表面均勻接枝,界面納米尺寸效應(yīng)強(qiáng)化:二次上漿改性纖維可借由-C=O與基體鍵合成新鍵;偶聯(lián)劑預(yù)改性纖維因表面官能化和粗糙度增加不足,使得復(fù)合材料力學(xué)性能改善不明顯。所有GO/P-SCF多重改性纖維IFSS均提高,其中,GO/SCF-ECO/EP微滴復(fù)合材料IFSS值比未處理GO/SCF/EP增加近12.4%。在此基礎(chǔ)上,基于多重改性碳纖維表面粗糙度、-C=O含量和潤濕效應(yīng)等評價因子,深入比較了不同表面預(yù)處理技術(shù)對復(fù)合材料IFSS的影響后發(fā)現(xiàn),GO/SCF-ECO/EP和GO/SCF-Acid/EP的IFSS較高是由于表面含氧官能團(tuán)豐富和微區(qū)機(jī)械互鎖對復(fù)合材料的界面強(qiáng)化作用。說明提高改性纖維的表面化學(xué)活性和表面潤濕作用是決定改性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的重要因素,應(yīng)針對CFRP宏觀力學(xué)指標(biāo),采用適宜的表面預(yù)處理技術(shù)以優(yōu)化纖維表面特性,綜合提高復(fù)合材料IFSS。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB332
【圖文】：

第１章緒論逡逑見圖１．２。乳液粒徑較大表明體系內(nèi)大分了數(shù)量較多，化學(xué)活性較高，利于樹脂逡逑基體的潤濕。但親水性漿膜容易吸潮，而且大粒徑乳液所形成的的漿膜較厚，易逡逑導(dǎo)致絲束硬挺，不利于成品碳纖維的后加工處理。乳液粒徑較小利于形成穩(wěn)定的逡逑乳液體系，分散體系表面張力低、熱力學(xué)穩(wěn)定、各向同性？般具有優(yōu)異的逡逑滲透性和潤濕性，形成的漿膜具有較好的覆蓋度和機(jī)械強(qiáng)度。另外，納米級的小逡逑粒徑乳膠粒子可以滲入大尺寸乳膠粒子無法到達(dá)的的空隙和毛細(xì)孔道內(nèi)部［１Ｇ３］，逡逑填滿大尺寸乳膠粒之間空隙，有利于提高上漿劑漿膜的穩(wěn)定性、附著力、強(qiáng)度、逡逑耐摩擦性和光澤度。但小粒徑乳液不利于上漿劑對纖維表面的完整包覆，且引入逡逑的化學(xué)活性官能團(tuán)有限

Ｆｉｇ．邋２．４邋Ｃｏａｔｉｎｇ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｓｉｚｉｎｇ邋ａｇｅｎｔ邋ｏｎ邋ＣＦｓ逡逑５上漿涂層改性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備工藝逡逑通過纖維纏繞成型法制備改性碳纖維／環(huán)氧樹脂單向復(fù)合材料。首先，配樹脂（環(huán)氧樹脂：甲基四氫苯酐：Ｎ，Ｎ－二甲基芐胺＝１００：邋７０：邋Ｉ）；接著纖維纏繞在玻璃框上浸潤基體樹脂：之后將

本文編號：2775832