碳纖維表面處理及其增強環(huán)氧樹脂復合材料界面性能研究.pdf

1、碳纖維(CF)增強樹脂基復合材料(CFRP)是先進復合材料的典型代表,具有密度小、力學性能優(yōu)異、耐熱、耐低溫等優(yōu)點,在航空航天、軍事、汽車、體育等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。然而CF表面光滑呈惰性,與樹脂基體的界面粘結(jié)性差,限制了CFRP復合材料性能的發(fā)揮。針對CF與與樹脂基體界面粘結(jié)性差這一問題,本文分別選用PAN基碳纖維和雙酚A型環(huán)氧樹脂(EP)作為復合材料的增強相和樹脂基體,展開CF的表面處理及其CFRP復合材料的研究。
　　

2、 本文采用氨水處理和濃HNO3處理對CF進行表面改性,并分別采用處理前后的CF制備了CF/EP復合材料。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、元素分析(EA)、X-光電子能譜(XPS)、拉伸強度測試及動態(tài)接觸角分析(DCAA)等方法研究了處理前后CF表面形貌、表面粗糙度、表面元素組成及化學結(jié)構(gòu)、單絲拉伸強度及表面浸潤性能的變化。通過單絲拔出實驗測試復合材料的界面結(jié)合強度(IFSS)來表征復合材料的界面粘結(jié)性能。首先,考察

3、了氨水處理對CF表面及其增強EP復合材料界面性能的影響。結(jié)果表明,經(jīng)氨水處理之后,CF表面粗糙程度增大；表面化學組成沒有明顯變化；CF單絲拉伸強度隨處理時間延長而下降,最大降低了18.8％；表面浸潤性能得到改善；處理時間為120h時,CF/EP復合材料的IFSS由未處理時的25.1MPa提高到38.9MPa,提高了55.0％,表明表面粗糙度的增加能有效提高CF/EP復合材料的界面粘結(jié)。其次,考察了濃HNO3處理對CF表面及其增強EP復合

4、材料界面性能的影響。經(jīng)濃HNO3處理之后,不僅CF表面粗糙程度增加,表面活性官能團的數(shù)量也大大提高了；CF單絲拉伸強度隨處理時間延長而下降,最大降低了28.2％;CF對極性強的去離子水的浸潤性明顯提高,表面自由能增加了8.1％；濃HNO3處理90min時,CF/EP復合材料的IFSS提高了77.2％。將CF表面特性與CF/EP復合材料IFSS結(jié)合分析得出:機械錨定和化學鍵合兩種作用同時存在時,機械錨定作用對復合材料的界面粘結(jié)起主導作用。