碳纖維增強熱塑性聚酰亞胺復合材料的分子模擬與性能研究
發(fā)布時間：2021-06-09 22:37
先進樹脂基復合材料自上世紀60年代出現(xiàn)在人們的視野中后,就一直成為各界科研工作者們著力研究的對象,這種新式材料卓越的工程性能和無與倫比的結構特性使得其在進入21世紀后被廣泛研究與開發(fā)。不過隨著現(xiàn)如今工業(yè)化進程的不斷深入,人們對材料性能的訴求愈加寬泛,不僅要求力學性能具有優(yōu)越性而且近年來還提出了綠色、輕量的目標。本文采用碳纖維（CF）作增強體,熱塑性聚酰亞胺（TPI）作基體,旨在通過工藝優(yōu)化及復合材料界面設計制備性能優(yōu)異的碳纖維增強熱塑性聚酰亞胺復合材料（CF/TPI）。針對制備流程設計方面,本文采用Materials Studio?V8.0（MS）軟件先針對TPI樹脂進行高溫下性質預測,采用軟件對樹脂模擬體系進行分子動力學（MD）計算,根據(jù)高聚物特點,繪制模擬狀態(tài)下溫度-比容圖像,預測樹脂玻璃化轉變溫度（Tg）區(qū)間,同時進行非連續(xù)溫度下模擬剪切試驗,預測高溫下樹脂黏度變化趨勢,預測TPI最佳溫度加工區(qū)間為550 K～700 K。通過DSC、紅外等測試結合模擬結果確定TPI的Tg為277℃,Tm為375℃,Td為554℃,...
【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：84 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
PAN基碳纖維制備流程簡圖[11]
哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文關界面層的研究顯得尤為重要。盡管在原料種類選擇方面，人們往往選擇高強高模的增強體和基體，但復合材料性能的設計并不是像“一加一等于二”這么簡單，如何構建出合適的界面層尤為重要，大量研究表明只有增強體與基體界面結合力強、浸潤性好，增強體才會真正起到增強的作用，否則復合材料的性能會大打折扣。研究表明，復合材料界面性能絕大部分受纖維和聚合物的自身性能影響，例如熱膨脹系數(shù)、強度、結晶度等，不過界面層的最終結合強度高度依賴于它們間的物理和化學相互作用，包括機械嚙合、化學鍵合以及物理粘附機制（即范德華相互作用、氫鍵等），這三者都和纖維與樹脂兩相間的潤濕性密切相關。圖1-2復合材料結構簡圖1.3.2碳纖維復合材料的界面設計1.3.2.1碳纖維表面修飾PAN基碳纖維生產(chǎn)時需進行高溫碳化，目的是高溫分解其他物質從而最大程度留存碳元素含量，因此其表面能低，缺乏活性基團，同時以極穩(wěn)定的非極性結構存在。因此碳纖維與大多數(shù)基體材料的界面粘合性較差，基體很難浸潤纖維產(chǎn)生包覆[17]。針對這種現(xiàn)狀，多年來國內外大量研究工作者開始著力探究碳纖維的表面修飾（例如接枝、上漿等）相關以期提高其表面活化能或粗糙度間接對界面層進行優(yōu)化。目前有關碳纖維表面修飾的研究方法，在各界工作人員的不懈努力下歸納總結出了很多，主要分為以下幾種：（1）表面氧化修飾表面氧化法是指利用氧化劑處理纖維表面，可分為氣相氧化和液相氧化，前者主要選取臭氧或空氣作為氧化劑，后者大多采用濃酸（濃硝酸等）。研究結果表明[18]，經(jīng)此法試驗后，大量含氧官能團被引入纖維表層，同時表面粗糙度有明顯提升，處理后纖維增強復合材料的力學性能有5
PMDA-ODA型PI結構簡圖
【參考文獻】：
期刊論文
[1]純電動汽車車身材料輕量化應用現(xiàn)狀淺談[J]. 趙治,郝志莉. 汽車實用技術. 2020(07)
[2]熱塑性樹脂基復合材料在航空領域的研究進展[J]. 吳琨. 價值工程. 2020(09)
[3]碳纖維增強樹脂基復合材料的應用及展望[J]. 于海寧,高長星,王艷華. 合成纖維工業(yè). 2020(01)
[4]碳纖維的合成及應用研究進展[J]. 于夢賢,薛光宇,王浩任,宋新飛,孫一諾,丁文釗,馬登學,夏其英,梁士明. 山東化工. 2019(15)
[5]碳纖維增強高性能熱塑性復合材料界面改性的研究進展[J]. 邢開,徐海兵,顏春,陳剛,陳明達,祝穎丹. 玻璃鋼/復合材料. 2019(05)
[6]臭氧改性碳纖維/聚酰亞胺復合材料的制備與性能研究[J]. 張榮,裴學良,席先鋒,歐陽琴,張坤璽,徐劍,陳友汜. 玻璃鋼/復合材料. 2019(03)
[7]復合材料風電葉片先進制造技術研究現(xiàn)狀[J]. 柴紅梅,袁凌,李穎,韓銳,潘磊,杜春. 玻璃鋼/復合材料. 2019(02)
[8]大塊充填樹脂的研究進展[J]. 姜雪,高平,魏茜茜,張曉萌,徐通,趙頎,朱松. 口腔醫(yī)學. 2019(01)
[9]碳纖維增強聚苯硫醚復合材料激光加熱原位成型過程中的溫度場[J]. 宋清華,劉衛(wèi)平,陳吉平,劉奎,楊洋. 復合材料學報. 2019(02)
[10]碳纖維復合材料在航空航天領域的應用[J]. 劉強. 科技與企業(yè). 2015(22)
博士論文
[1]CNT/CF多尺度纖維固液潤濕行為及其熱塑性復合材料界面性能[D]. 王健.哈爾濱工業(yè)大學 2019
[2]碳纖維/乙烯基酯樹脂界面設計及其作用機理研究[D]. 焦衛(wèi)衛(wèi).哈爾濱工業(yè)大學 2018
[3]碳纖維表面和界面性能研究及評價[D]. 張煥俠.東華大學 2014
[4]碳纖維增強樹脂基復合材料界面結合強度關鍵影響因素研究[D]. 張敏.山東大學 2010
[5]稀土溶液處理碳纖維填充熱塑性聚酰亞胺復合材料摩擦學性能研究[D]. 李健.上海交通大學 2008
碩士論文
[1]抗高速沖擊泡沫鋁夾芯復合材料設計及數(shù)值模擬[D]. 楊逸民.哈爾濱工業(yè)大學 2019
[2]CFF/PEEK復合材料的制備與界面浸潤性研究[D]. 張昕.哈爾濱工業(yè)大學 2019
[3]高導熱聚醚醚酮復合材料的制備與性能研究[D]. 趙軒.吉林大學 2019
[4]CF/PEEK熱塑性復合材料熱成型及熱變形工藝研究[D]. 張涵其.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[5]碳纖維表面可控接枝聚合改性及其復合材料界面模擬研究[D]. 王秋萍.南昌航空大學 2017
[6]石墨烯表面修飾對石墨烯/環(huán)氧樹脂復合材料界面及拉伸性能影響的分子模擬研究[D]. 劉曉龍.中國石油大學(華東) 2017
[7]LFT-D長纖維增強熱塑性復合材料模壓成型工藝研究[D]. 王在富.南京理工大學 2015
[8]多巴胺改性芳綸纖維及其復合材料界面性能研究[D]. 董慶亮.哈爾濱工業(yè)大學 2014
[9]高分子結構與性能關系的多尺度分子模擬[D]. 孫德林.華南理工大學 2012
本文編號：3221450
【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：84 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
PAN基碳纖維制備流程簡圖[11]
哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文關界面層的研究顯得尤為重要。盡管在原料種類選擇方面，人們往往選擇高強高模的增強體和基體，但復合材料性能的設計并不是像“一加一等于二”這么簡單，如何構建出合適的界面層尤為重要，大量研究表明只有增強體與基體界面結合力強、浸潤性好，增強體才會真正起到增強的作用，否則復合材料的性能會大打折扣。研究表明，復合材料界面性能絕大部分受纖維和聚合物的自身性能影響，例如熱膨脹系數(shù)、強度、結晶度等，不過界面層的最終結合強度高度依賴于它們間的物理和化學相互作用，包括機械嚙合、化學鍵合以及物理粘附機制（即范德華相互作用、氫鍵等），這三者都和纖維與樹脂兩相間的潤濕性密切相關。圖1-2復合材料結構簡圖1.3.2碳纖維復合材料的界面設計1.3.2.1碳纖維表面修飾PAN基碳纖維生產(chǎn)時需進行高溫碳化，目的是高溫分解其他物質從而最大程度留存碳元素含量，因此其表面能低，缺乏活性基團，同時以極穩(wěn)定的非極性結構存在。因此碳纖維與大多數(shù)基體材料的界面粘合性較差，基體很難浸潤纖維產(chǎn)生包覆[17]。針對這種現(xiàn)狀，多年來國內外大量研究工作者開始著力探究碳纖維的表面修飾（例如接枝、上漿等）相關以期提高其表面活化能或粗糙度間接對界面層進行優(yōu)化。目前有關碳纖維表面修飾的研究方法，在各界工作人員的不懈努力下歸納總結出了很多，主要分為以下幾種：（1）表面氧化修飾表面氧化法是指利用氧化劑處理纖維表面，可分為氣相氧化和液相氧化，前者主要選取臭氧或空氣作為氧化劑，后者大多采用濃酸（濃硝酸等）。研究結果表明[18]，經(jīng)此法試驗后，大量含氧官能團被引入纖維表層，同時表面粗糙度有明顯提升，處理后纖維增強復合材料的力學性能有5
PMDA-ODA型PI結構簡圖
【參考文獻】：
期刊論文
[1]純電動汽車車身材料輕量化應用現(xiàn)狀淺談[J]. 趙治,郝志莉. 汽車實用技術. 2020(07)
[2]熱塑性樹脂基復合材料在航空領域的研究進展[J]. 吳琨. 價值工程. 2020(09)
[3]碳纖維增強樹脂基復合材料的應用及展望[J]. 于海寧,高長星,王艷華. 合成纖維工業(yè). 2020(01)
[4]碳纖維的合成及應用研究進展[J]. 于夢賢,薛光宇,王浩任,宋新飛,孫一諾,丁文釗,馬登學,夏其英,梁士明. 山東化工. 2019(15)
[5]碳纖維增強高性能熱塑性復合材料界面改性的研究進展[J]. 邢開,徐海兵,顏春,陳剛,陳明達,祝穎丹. 玻璃鋼/復合材料. 2019(05)
[6]臭氧改性碳纖維/聚酰亞胺復合材料的制備與性能研究[J]. 張榮,裴學良,席先鋒,歐陽琴,張坤璽,徐劍,陳友汜. 玻璃鋼/復合材料. 2019(03)
[7]復合材料風電葉片先進制造技術研究現(xiàn)狀[J]. 柴紅梅,袁凌,李穎,韓銳,潘磊,杜春. 玻璃鋼/復合材料. 2019(02)
[8]大塊充填樹脂的研究進展[J]. 姜雪,高平,魏茜茜,張曉萌,徐通,趙頎,朱松. 口腔醫(yī)學. 2019(01)
[9]碳纖維增強聚苯硫醚復合材料激光加熱原位成型過程中的溫度場[J]. 宋清華,劉衛(wèi)平,陳吉平,劉奎,楊洋. 復合材料學報. 2019(02)
[10]碳纖維復合材料在航空航天領域的應用[J]. 劉強. 科技與企業(yè). 2015(22)
博士論文
[1]CNT/CF多尺度纖維固液潤濕行為及其熱塑性復合材料界面性能[D]. 王健.哈爾濱工業(yè)大學 2019
[2]碳纖維/乙烯基酯樹脂界面設計及其作用機理研究[D]. 焦衛(wèi)衛(wèi).哈爾濱工業(yè)大學 2018
[3]碳纖維表面和界面性能研究及評價[D]. 張煥俠.東華大學 2014
[4]碳纖維增強樹脂基復合材料界面結合強度關鍵影響因素研究[D]. 張敏.山東大學 2010
[5]稀土溶液處理碳纖維填充熱塑性聚酰亞胺復合材料摩擦學性能研究[D]. 李健.上海交通大學 2008
碩士論文
[1]抗高速沖擊泡沫鋁夾芯復合材料設計及數(shù)值模擬[D]. 楊逸民.哈爾濱工業(yè)大學 2019
[2]CFF/PEEK復合材料的制備與界面浸潤性研究[D]. 張昕.哈爾濱工業(yè)大學 2019
[3]高導熱聚醚醚酮復合材料的制備與性能研究[D]. 趙軒.吉林大學 2019
[4]CF/PEEK熱塑性復合材料熱成型及熱變形工藝研究[D]. 張涵其.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[5]碳纖維表面可控接枝聚合改性及其復合材料界面模擬研究[D]. 王秋萍.南昌航空大學 2017
[6]石墨烯表面修飾對石墨烯/環(huán)氧樹脂復合材料界面及拉伸性能影響的分子模擬研究[D]. 劉曉龍.中國石油大學(華東) 2017
[7]LFT-D長纖維增強熱塑性復合材料模壓成型工藝研究[D]. 王在富.南京理工大學 2015
[8]多巴胺改性芳綸纖維及其復合材料界面性能研究[D]. 董慶亮.哈爾濱工業(yè)大學 2014
[9]高分子結構與性能關系的多尺度分子模擬[D]. 孫德林.華南理工大學 2012
本文編號：3221450
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