碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度關(guān)鍵影響因素研究.pdf

1、界面對碳纖維復(fù)合材料性能的發(fā)揮起著非常重要的作用,復(fù)合材料通過界面?zhèn)鬟f載荷,可以使碳纖維與基體形成一個有效發(fā)揮綜合性能的整體。在界面的研究中,提高其結(jié)合強(qiáng)度是改善碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。因此,剖析各種因素對碳纖維復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的影響,對于提高復(fù)合材料的綜合性能具有十分重要的意義。本文采用掃描電鏡(SEM)、X射線光電子能譜(XPS)、激光拉曼光譜(LRS)、X射線衍射(XRD)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)以及力學(xué)性能測試

2、等技術(shù),考察了不同制備工藝對碳纖維結(jié)構(gòu)及性能的影響,探討了濕法紡絲制備PAN基碳纖維的電化學(xué)改性工藝以及電化學(xué)改性處理過程中碳纖維表面結(jié)構(gòu)和性能的演變規(guī)律,獲得了碳纖維表面除膠的合理性工藝,深入研究了碳纖維電化學(xué)改性處理、上漿劑以及基體改性對碳纖維復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的影響,提出了碳纖維電化學(xué)改性機(jī)理以及基體改性機(jī)理。
　　 對不同工藝制備的碳纖維結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了對比分析,結(jié)果表明:與濕法紡絲工藝制備的碳纖維相比,干噴濕紡工藝制

3、備的碳纖維內(nèi)部致密性高,軸向微孔尺寸小,表面非碳元素相對含量低。從X射線衍射來看,干噴濕紡工藝制備的碳纖維石墨層面間距d002較小,更接近于石墨單晶的層面間距；微晶堆砌厚度Lc較高,石墨網(wǎng)平面尺寸La較大,石墨微晶的平均堆疊層數(shù)較多,這說明采用干噴濕紡工藝制備的碳纖維具有較高的石墨化程度,其結(jié)構(gòu)完整性更高。濕法紡絲和干噴濕紡工藝制備的碳纖維其表面結(jié)構(gòu)基本相同,但表面形貌存在很大差異。濕法紡絲工藝制備碳纖維表面粗糙,有許多軸向溝槽,而干噴

4、濕紡工藝制備的碳纖維表面光滑無溝槽,溝槽的存在可以增加纖維與基體間的機(jī)械鉸合作用,有利于提高復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度。另外,潔凈的生產(chǎn)環(huán)境及精細(xì)的加工設(shè)備有利于減少碳纖維的表面缺陷。
　　 采用XPS技術(shù)研究了濕法紡絲工藝制備的PAN基碳纖維在電化學(xué)改性處理過程中表面特性隨改性工藝的變化,結(jié)果表明:電化學(xué)改性初期,碳纖維表面改性效果明顯。隨著電化學(xué)改性處理時間的延長,變化趨勢減慢,達(dá)到一定程度時趨于穩(wěn)定。電解液的濃度和溫度越高,電

5、化學(xué)改性處理時間越長,電流密度越大,碳纖維表面改性效果越明顯。大量電解質(zhì)試驗表明,NH4H2PO4對碳纖維表面電化學(xué)改性效果最佳。
　　 采用LRS技術(shù)系統(tǒng)研究了濕法紡絲工藝制備的碳纖維在電化學(xué)改性處理過程中表面結(jié)構(gòu)的變化,結(jié)果表明:電化學(xué)改性處理后,碳纖維表面拉曼光譜中的G線和D線交疊度減小,R值增大,D2線與G線的比值減小,D3線與G線的比值增大。隨著電化學(xué)處理時間的增加,R值不斷增大,D2線與G線的比值以及D3線與G線的比

6、值發(fā)生一定程度的改變,但變化趨勢并不明顯。所有代表無序結(jié)構(gòu)的拉曼譜峰積分面積總和與石墨結(jié)構(gòu)積分面積之比與R值的變化趨勢基本一致,它可以更全面地表征電化學(xué)處理過程中碳纖維表面結(jié)構(gòu)無序性的變化,對于深入分析碳纖維電化學(xué)改性處理中表面微結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律具有重要意義。
　　 選用高電流密度,濃度為1mol/L的NH4H2PO4為電解質(zhì),設(shè)定處理時間為4min,對碳纖維進(jìn)行電化學(xué)改性處理,試驗結(jié)果表明,電化學(xué)改性處理后碳纖維的表面結(jié)果和性能

7、發(fā)生改變。碳纖維的表面結(jié)構(gòu)被破壞,無序度增大,表面晶粒尺寸減小。比表面積增大,表面粗糙度增加,有利于提高碳纖維的表面極性,增大樹脂的浸潤性；同時更多含氧官能團(tuán)的生成也有利于增大碳纖維表面與基體間的化學(xué)作用力,使得碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度提高。其中,碳氧單鍵含量的增加對界面化學(xué)作用力的增強(qiáng)起主要作用。
　　 系統(tǒng)研究了過度電化學(xué)改性處理對T700碳纖維和石墨纖維結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明:電化學(xué)改性是一種碳纖維表面改性處理

8、的有效方法,它僅對纖維表面產(chǎn)生作用,并不改變纖維的本體結(jié)構(gòu)。在相同的處理條件下,碳纖維表面部分結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,軸向溝槽消失,部分結(jié)構(gòu)保持完整,且破壞是沿纖維軸向進(jìn)行的,破壞區(qū)域顯示出微坑形貌；石墨纖維表面基本沒有變化。電化學(xué)改性處理過程中,碳纖維中非碳元素的存在是石墨片層結(jié)構(gòu)破壞的主要因為,也是表面結(jié)構(gòu)破壞的根源。纖維表面結(jié)合力弱的區(qū)域容易被破壞,導(dǎo)致表面軸向溝槽增多并加深。
　　 采用不同上漿劑對碳纖維進(jìn)行表面處理,研究了不同上

9、漿劑對碳纖維以及復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明:碳纖維經(jīng)上漿劑處理后,很好地抑制了纖維的毛絲和斷絲現(xiàn)象,而且上漿劑均勻附著于碳纖維表面,使纖維較好分散,有效地避免了纖維之間的粘連。上漿劑的種類對碳纖維復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度影響較大。日本生產(chǎn)的上漿劑基本可以改善碳纖維的表面潤濕性,提高復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度。與進(jìn)口上漿劑相比,國產(chǎn)上漿劑處理制備的碳纖維復(fù)合材料,其界面結(jié)合強(qiáng)度偏低,與普通環(huán)氧樹脂的效果接近。
　　 采用FES

10、EM、XPS、LRS和XRD等多種分析技術(shù)對不同除膠工藝處理的碳纖維結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:丙酮浸泡工藝對碳纖維表面上漿劑的去除效果不佳；瞬時高溫處理工藝雖然可以達(dá)到部分清除上漿劑的效果,但對纖維表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大損傷；采用氮氣保護(hù)下的高溫除膠處理工藝,不僅可以有效地去除碳纖維表面上漿劑,而且可以通過工藝參數(shù)的合理配置,有效抑制處理過程中碳纖維表面的氧化以及上漿劑裂解產(chǎn)物的殘存。通過對比分析確定,氮氣保護(hù)下的高溫除膠工藝是碳纖維表

11、面上漿劑去除的有效方法。
　　 以羥基硅油為共聚改性劑對酚醛樹脂基體進(jìn)行改性,系統(tǒng)研究了基體改性對碳纖維復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度及力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明:隨著羥基硅油添加量的增加,碳纖維復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢,材料的彎曲強(qiáng)度逐漸增大,拉伸強(qiáng)度的變化趨勢與界面結(jié)合強(qiáng)度的變化趨勢基本一致。羥基硅油添加量不當(dāng)會導(dǎo)致基體缺陷增加,使得復(fù)合材料界面結(jié)合性能變差,影響材料整體性能的發(fā)揮。當(dāng)羥基硅油與酚醛樹脂的質(zhì)量百分