國產(chǎn)高性能碳纖維表征分析及復(fù)合材料力學(xué)性能研究
發(fā)布時間：2021-07-26 19:26
采用掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）和X射線光電子能譜儀（XPS）表征國產(chǎn)T800級碳纖維A和東麗T800H碳纖維的表面形貌與表面化學(xué)特性,對兩種碳纖維增強高韌性環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明,碳纖維表面特性對復(fù)合材料界面性能具有顯著影響;國產(chǎn)碳纖維A的表面粗糙度和表面化學(xué)活性均與東麗T800H碳纖維較為接近,室溫條件下兩種碳纖維復(fù)合材料的界面性能基本相當(dāng),說明國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料M-A具有良好的界面性能;在130℃濕態(tài)條件下,國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料M-A的層間剪切強度和90°拉伸強度保持率均略高東麗碳纖維復(fù)合材料M-T800H,說明國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料M-A的濕熱性能良好。
【文章來源】：材料工程. 2020,48(10)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
碳纖維表面SEM形貌
圖1 碳纖維表面SEM形貌原子力顯微鏡(AFM)不僅可以獲得國產(chǎn)碳纖維A表面的二維和三維形貌圖,而且可以量化分析碳纖維表面粗糙度,是研究碳纖維表面形貌的重要手段。碳纖維A和東麗T800H碳纖維的AFM三維形貌如圖2,由圖2可以看出,濕法紡絲工藝制備的兩種碳纖維表面都有上漿劑顆粒的存在,且沿纖維軸向有大量溝槽,在三維圖上可清晰地看出“山脊”與“山凹”形貌。其中東麗T800H碳纖維表面溝槽分布深淺不一,而國產(chǎn)碳纖維A表面溝槽深度較均勻。
采用X射線光電子能譜儀(XPS)測試兩種碳纖維的表面化學(xué)組成,如圖3所示。碳纖維表面元素種類及含量列于表3。與東麗T800H碳纖維相比,國產(chǎn)碳纖維A表面不僅有碳元素、氧元素、硅元素,還有少量的氮元素和硫元素。兩種碳纖維表面的主要元素都為碳元素和氧元素。根據(jù)化學(xué)鍵理論,碳纖維表面的化學(xué)活性基團能直接影響碳纖維和樹脂的親和性。碳纖維表面活性基團濃度高,有利于碳纖維與樹脂基體形成較強的次價鍵吸引和化學(xué)鍵結(jié)合,從而提高復(fù)合材料的界面性能[19]。碳纖維表面的化學(xué)反應(yīng)活性與其活性基團的濃度密切相關(guān),而這些活性基團主要為羥基、羧基和環(huán)氧基團等含氧官能團,故碳纖維表面的O/C比(氧元素與碳元素比值)可以反映碳纖維的化學(xué)活性[20],O/C比越高,碳纖維表面活性越大。從表3中可以看出,兩種碳纖維的O/C比非常接近,可以認(rèn)為國產(chǎn)碳纖維A的化學(xué)活性與東麗T800H碳纖維相當(dāng),兩種碳纖維與樹脂間的化學(xué)鍵結(jié)合作用差距不大,有利于國產(chǎn)碳纖維A與樹脂復(fù)合后的材料也具有良好的界面性能。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]紡絲工藝對T800碳纖維及其復(fù)合材料性能的影響[J]. 張世杰,王汝敏,劉寧,廖英強,程勇. 材料工程. 2019(08)
[2]國產(chǎn)T800級碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料濕熱性能[J]. 隋曉東,熊舒,朱亮,李燁,李娜. 航空材料學(xué)報. 2019(03)
[3]PAN基高模量碳纖維成型過程中的結(jié)構(gòu)性能關(guān)聯(lián)性[J]. 錢鑫,王雪飛,鄭凱杰,張永剛,李德宏,宋書林. 化工進(jìn)展. 2019(05)
[4]國產(chǎn)聚丙烯腈基碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀與建議[J]. 彭公秋,李國麗,曹正華,謝富原. 航空制造技術(shù). 2018(14)
[5]國產(chǎn)T700級碳纖維增強雙馬樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能[J]. 李國麗,彭公秋,王迎芬,謝富原. 航空材料學(xué)報. 2017(02)
[6]幾種國產(chǎn)高模碳纖維特性實驗分析[J]. 徐永新,顧軼卓,馬全勝,李敏,王紹凱,張佐光. 復(fù)合材料學(xué)報. 2016(09)
[7]國產(chǎn)T700級碳纖維表面特性對BMI復(fù)合材料濕熱性能的影響[J]. 王迎芬,彭公秋,謝富原,羅云烽. 航空制造技術(shù). 2014(03)
[8]高性能PAN基碳纖維國產(chǎn)化進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J]. 徐樑華. 中國材料進(jìn)展. 2012(10)
[9]T700S/QY8911復(fù)合材料界面匹配研究[J]. 彭公秋,楊進(jìn)軍,曹正華,謝富原. 航空材料學(xué)報. 2011(02)
[10]碳纖維表面性質(zhì)分析及其對復(fù)合材料界面性能的影響[J]. 石峰暉,代志雙,張寶艷. 航空材料學(xué)報. 2010(03)
本文編號：3304207
【文章來源】：材料工程. 2020,48(10)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
碳纖維表面SEM形貌
圖1 碳纖維表面SEM形貌原子力顯微鏡(AFM)不僅可以獲得國產(chǎn)碳纖維A表面的二維和三維形貌圖,而且可以量化分析碳纖維表面粗糙度,是研究碳纖維表面形貌的重要手段。碳纖維A和東麗T800H碳纖維的AFM三維形貌如圖2,由圖2可以看出,濕法紡絲工藝制備的兩種碳纖維表面都有上漿劑顆粒的存在,且沿纖維軸向有大量溝槽,在三維圖上可清晰地看出“山脊”與“山凹”形貌。其中東麗T800H碳纖維表面溝槽分布深淺不一,而國產(chǎn)碳纖維A表面溝槽深度較均勻。
采用X射線光電子能譜儀(XPS)測試兩種碳纖維的表面化學(xué)組成,如圖3所示。碳纖維表面元素種類及含量列于表3。與東麗T800H碳纖維相比,國產(chǎn)碳纖維A表面不僅有碳元素、氧元素、硅元素,還有少量的氮元素和硫元素。兩種碳纖維表面的主要元素都為碳元素和氧元素。根據(jù)化學(xué)鍵理論,碳纖維表面的化學(xué)活性基團能直接影響碳纖維和樹脂的親和性。碳纖維表面活性基團濃度高,有利于碳纖維與樹脂基體形成較強的次價鍵吸引和化學(xué)鍵結(jié)合,從而提高復(fù)合材料的界面性能[19]。碳纖維表面的化學(xué)反應(yīng)活性與其活性基團的濃度密切相關(guān),而這些活性基團主要為羥基、羧基和環(huán)氧基團等含氧官能團,故碳纖維表面的O/C比(氧元素與碳元素比值)可以反映碳纖維的化學(xué)活性[20],O/C比越高,碳纖維表面活性越大。從表3中可以看出,兩種碳纖維的O/C比非常接近,可以認(rèn)為國產(chǎn)碳纖維A的化學(xué)活性與東麗T800H碳纖維相當(dāng),兩種碳纖維與樹脂間的化學(xué)鍵結(jié)合作用差距不大,有利于國產(chǎn)碳纖維A與樹脂復(fù)合后的材料也具有良好的界面性能。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]紡絲工藝對T800碳纖維及其復(fù)合材料性能的影響[J]. 張世杰,王汝敏,劉寧,廖英強,程勇. 材料工程. 2019(08)
[2]國產(chǎn)T800級碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料濕熱性能[J]. 隋曉東,熊舒,朱亮,李燁,李娜. 航空材料學(xué)報. 2019(03)
[3]PAN基高模量碳纖維成型過程中的結(jié)構(gòu)性能關(guān)聯(lián)性[J]. 錢鑫,王雪飛,鄭凱杰,張永剛,李德宏,宋書林. 化工進(jìn)展. 2019(05)
[4]國產(chǎn)聚丙烯腈基碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀與建議[J]. 彭公秋,李國麗,曹正華,謝富原. 航空制造技術(shù). 2018(14)
[5]國產(chǎn)T700級碳纖維增強雙馬樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能[J]. 李國麗,彭公秋,王迎芬,謝富原. 航空材料學(xué)報. 2017(02)
[6]幾種國產(chǎn)高模碳纖維特性實驗分析[J]. 徐永新,顧軼卓,馬全勝,李敏,王紹凱,張佐光. 復(fù)合材料學(xué)報. 2016(09)
[7]國產(chǎn)T700級碳纖維表面特性對BMI復(fù)合材料濕熱性能的影響[J]. 王迎芬,彭公秋,謝富原,羅云烽. 航空制造技術(shù). 2014(03)
[8]高性能PAN基碳纖維國產(chǎn)化進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J]. 徐樑華. 中國材料進(jìn)展. 2012(10)
[9]T700S/QY8911復(fù)合材料界面匹配研究[J]. 彭公秋,楊進(jìn)軍,曹正華,謝富原. 航空材料學(xué)報. 2011(02)
[10]碳纖維表面性質(zhì)分析及其對復(fù)合材料界面性能的影響[J]. 石峰暉,代志雙,張寶艷. 航空材料學(xué)報. 2010(03)
本文編號：3304207
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