冷等离子体处理对碳纤维缝编织物/环氧复合材料界面性能的影响

采用冷等离子体对碳纤维缝编织物进行表面处理 ,并采用XRD对处理前后的碳纤维表面结构进行了分析 ,研究了冷等离子体处理对浸润性以及碳纤维缝编织物 /环氧复合材料的层间剪切强度的影响。实验结果表明 ,冷等离子体处理提高了碳纤维表面活性、浸润性 ,从而改善了碳纤维缝编织物 /环氧复合材料的界面粘结性能 ,进而改善了复合材料的界面性能。     

碳纤维增强可溶性聚芳醚树脂基复合材料的表面与界面

首次对碳纤维增强含二氮杂萘酮联苯型聚芳醚砜酮(PPESK)基高性能热塑性树脂基复合材料的界面进行了研究。采用空气冷等离子体处理方法对碳纤维表面进行处理。用XPS测试分析了不同等离子体处理时间对CF-原丝表面元素组成的影响及其变化规律。用FT-IR测试分析了经等离子体处理前后碳纤维表面的官能团的变化。采用动态接触角测试分析了不同处理时间下,碳纤维浸润性的变化规律,进一步分析了复合材料界面的粘结机理。采用AFM测试分析等离子体处理时间对碳纤维表面粗糙度的影响。利用ILSS测试方法表征了碳纤维/PPESK复合材料的层间剪切强度,确定了最佳的等离子体处理条件。利用SEM观察了碳纤维/PPESK树脂基复合材料的层间剪切破坏形貌。结果表明:对碳纤维的最佳的等离子体处理条件为:处理功率200W,处理时间15m in。在这一条件下处理碳纤维,复合材料的ILSS值最达可提高13.5%。经过适当的等离子体处理后,碳纤维表面的极性基团的含量、浸润性能和粗糙度均得到改善,增强纤维与树脂基体间界面的粘结性能得到提高,从而提高了复合材料的力学性能。     

碳纤维的冷等离子体连续表面接枝工艺及其复合材料性能的研究

采用冷等离子体对碳纤维(CF)表面进行连续接枝处理。研究了碳纤维连续接枝工艺条件及其 CF/PMR-15复合材料的力学性能。合适的接枝单体及合适的接枝条件可使 CF/PMR-15复合材料的层间剪切强度较未处理的提高171.4%,拉伸强度及拉伸模量分别提高39.9%和11.3%。本文还对碳纤维的表面形貌及其复合材料的断裂特征进行了研究。     

芳纶纤维增强PPS复合材料耐水性能的研究

利用芳纶纤维对ＰＰＳ复合材料进行增强改性,利用化学处理方法在纤维表面引入环氧基,以改善纤维与基体间的界面性能。结果表明：在相同纤维含量下,纤维长度增加可减少应力集中,有利于力学性能提高,纤维表面接枝环氧基团后,复合材料界面性能提高,水难以沿界面掺入,从而使得同一条件下耐高温热水性能提高。     

碳纤维表面特征对碳/环氧复合材料界面性能影响研究

为了研究碳纤维表面特征与碳/环氧复合材料界面剪切强度的定量关系。采用扫描电子显微镜、比表面积分析仪、X射线光电子能谱仪对T800级碳纤维表面形貌、比表面积和表面化学特征进行了测试表征,并使用微珠脱粘法测试了复合材料的界面剪切强度（IFSS）。基于碳纤维比表面积测试结果,引入真实界面面积的概念,重点分析了界面面积和化学特征对IFSS的影响机理和规律。结果表明,不同表面状态的T800级碳纤维比表面积存在明显差异,两种除浆方法处理的碳纤维比表面积相差25.4%。消除界面面积影响的真实界面剪切强度（IFSS’）与碳纤维表面氧碳比呈现出较好的线性相关性,R2达到了0.94。反映出提高碳纤维比表面积和表面氧碳比是改善复合材料界面性能的有效手段。同时,也为定量研究碳纤维表面物理和化学特征对复合材料界面性能的影响提供了一种新的分析思路。     

碳纤维表面特征对碳/环氧复合材料界面性能的影响

为了研究碳纤维表面特征与碳/环氧复合材料界面剪切强度的定量关系。采用扫描电子显微镜、比表面积分析仪、X射线光电子能谱仪对T800级碳纤维表面形貌、比表面积和表面化学特征进行了测试表征,并使用微珠脱粘法测试了复合材料的界面剪切强度(IFSS)。基于碳纤维比表面积测试结果,引入真实界面面积的概念,重点分析了界面面积和化学特征对IFSS的影响机理和规律。结果表明,不同表面状态的T800级碳纤维比表面积存在明显差异,两种除浆工艺处理的碳纤维比表面积相差25.4%。消除界面面积影响的真实界面剪切强度(IFSS’)与碳纤维表面氧碳比呈现出较好的线性相关性,R2达到了0.94。反映出提高碳纤维比表面积和表面氧碳比是改善复合材料界面性能的有效手段;同时,也为定量研究碳纤维表面物理和化学特征对复合材料界面性能的影响提供了一种新的分析思路。     

碳纤维复合材料界面性能研究

针对碳纤维复合材料中普遍存在的界面问题，首先研究了碳纤维表面改性对其复合材料界面性能的影响。采用电化学方法和γ射线辐照技术对碳纤维进行表面改性处理，通过处理前后纤维性质及其复合材料界面性能的分析，阐明了纤维表面改性对复合材料界面性能影响规律。同时，研究了电子束固化技术中存在的弱界面问题，通过对电子束固化机理的研究发现增强体表面化学成分对固化过程影响较大，合理的偶联剂选择可以使电子束固化复合材料界面粘合性能得到提高。此外，研究了碳纤维超声连续处理，通过对树脂基体和碳纤维表面性质的分析，说明超声处理可有效地改善复合材料界面性能。     

碳纤维表面处理及其对碳纤维／聚芳基乙炔复合材料力学性能的影响

聚芳基乙炔(PAA)是一种新型的热防护材料,但PAA为非极性树脂,作为基体材料使用时存在着化学结构惰性,不易润湿增强体———碳纤维(CF)的缺点。为此,本工作对CF采用表面氧化处理后接枝丙烯酸的改性方案,研究与非极性基体相匹配的界面特性。结果表明,阳极氧化处理增加了纤维表面的极性官能团,提高了与丙烯酸的接枝反应能力,从而在碳纤维表面引入了与PAA相似的双键结构,有利于改善CF/PAA复合材料的界面结合,使碳纤维 /PAA复合材料的力学性能大幅度提高。     

异形截面碳纤维及其对复合材料力学性能的影响

介绍一种异形截面碳纤维,并对其环氧复合材料的力学性能进行研究.对该碳纤维表面特性和本体结构及碳纤维/环氧复合材料的常规力学性能、破坏模式和纤维堆砌方式进行初步分析,并与T300碳纤维及其环氧复合材料进行比较.结果表明,与T300相比该异形截面碳纤维的截面为"腰"形,表面光滑,化学活性差,石墨化程度低,但其比表面积大,对液体的浸润性能好;异形截面碳纤维/环氧复合材料的力学性能达到或者接近T300环氧复合材料;异形截面碳纤维与树脂基体的界面结合较弱,纤维在材料中的分布均匀性差.     

碳纤维韧化涂层处理对复合材料性能的影响

选择高韧性环氧树脂作为碳纤维表面涂层处理剂，研究了碳纤维表面聚合物涂层韧化处理对其复合材料性能的影响，探讨了界面韧化的作用机理。结果表明：高韧性环氧涂层能提高单向复合材料的层剪、拉伸及冲击等性能，且处理工艺简单；涂层处理后Φ150mm复合材料压力容器强度转化率由81％提高到86．4％。     

三维整体编织碳/酚醛复合材料烧蚀表面状态测试与分析

为了更好地研究三维整体纺织碳／酚醛复合材料的成型工艺对材料烧蚀性能的影响，选用不同纤维体积分数和不同编织结构的碳／酚碳复合材料试样，进行烧蚀试验，利用TalyScan150型表面粗糙度测试仪对试样烧蚀后的表面进行测试，并采用多种分析方法对测试结果进行分析。从分析结果可以看出三维四向结构的碳／酚醛复合材料随着纤维体积分数的增加，烧蚀性能变好，较低纤维体积分数（50％）的三维五向结构碳／酚醛复合材料具有较好的烧蚀性能。     

三维全五向编织耳片接头力学性能试验研究

通过单向静力拉伸试验研究了三维全五向编织复合材料耳片接头的力学性能。试件选用T700-12K碳纤维采用四步法编织预制件,以TDE-85环氧树脂为基体,经树脂传递模塑（RTM）工艺固化成型。对两种几何尺寸、两种孔加工方式（编织预留孔和机械制孔）的三维全五向编织复合材料耳片接头试件的力学性能进行了试验研究。试验结果表明,同尺寸三维全五向编织预留孔接头的承载力是机械制孔接头承载力的6倍;对相同孔径及厚度的耳片,增大耳片宽度能大幅提升耳片承载力,但并不能显著提高其初始破坏载荷。     

2.5D编织结构复合材料温度场特征研究

考虑到编织结构陶瓷基复合材料（CMC）在涡轮叶片等航空发动机高温部件应用时，材料内部编织结构特征会导致高温部件的温度场存在波动性。为了研究复合材料温度场的波动特征，以2.5D编织结构复合材料为例，分别建立了基于等效导热系数的均匀化平板模型和基于材料全尺寸细观编织结构的平板模型，计算对比了两种平板模型的温度场分布及内部热量传输特征，同时探究了材料内部编织结构的角度、纤维束轴向与径向导热系数比、纤维束与基体导热系数比等材料结构特征参数和热物性特征参数对材料表面温度波动的影响规律，并开展了编织结构平板的温度场测试实验。研究结果表明：与基于等效导热系数计算得到的平板温度场相比，基于全尺寸编织结构平板模型得到的温度场存在明显的波动特征，当平板内部平均温度梯度为25383K/m时，表面温度波动幅值达到12.41K，表面最高温度由906.96K增加到911.60K，并且在平板内部热量的传输方向沿着纱线发生明显的偏转。同时，随着纱线编织角度的增加，材料表面温度波动幅值下降，但表面的高温区域增加，沿着经纱轴向的温度波动频次增加。随着纤维束轴径向导热系数比的增加，材料表面的高温区域基本不变，温度波动幅值小幅下降，均匀性增强；随着纤维束与基体导热系数比的增加，材料表面的高温区域增加，温度波动幅值降幅较大，均匀性得到较大提高。在本文的研究范围内，当边界温度达到1600K时，基于等效导热系数的方法无法准确地预估复合材料的温度场。     

三维混杂碳纤维/芳纶纤维增强尼龙复合材料力学性能研究

制备了三维混杂碳纤维／芳纶纤维增强尼龙复合材料(HY／PA)并对其力学性能进行了测试。研究表明：由于芳纶纤维的加入，使碳纤维增强尼龙复合材料(CF／PA)的抗冲击性能有了显著提高，HY／PA的抗冲击强度随芳纶纤维体积分数的增大而有所提高；另外，HY／PA在改善CF／PA的横向剪切强度的同时，也改善了芳纶纤维增强尼龙复合材料(KF／PA)的纵向剪切强度；同时，混杂效应对HY／PA的弯曲性能的影响最为显著，HY／PA的弯曲强度、弯曲模量均高于任一种单一纤维复合材料。     

非周期性三维五向编织复合材料拉伸失效机理

以三维五向结构为研究对象,设计减纱工艺形成非周期性特征,进而制备碳纤维/环氧树脂三维五向编织非周期性结构复合材料。采用万能试验机与高速摄像机相结合的测试方式,获取非周期性结构拉伸力学行为及试验过程;在此基础上,通过高分辨率Micro-CT及SEM对非周期性结构试样破坏形貌进行观测,研究渐进损伤演化及最终失效机理,并与周期性结构的结果进行对比。研究表明:非周期性三维编织复合材料拉伸强度比相同结构参数周期性材料的测试值低16. 84%,损伤源于减纱处,形成了应力集中,最终破坏模式以纤维束抽拔断裂为主。该研究结果可为异型编织复合材料结构设计及强度分析提供依据。     

H3PO4溶液中碳纤维表面电化学改性机理研究

以H3PO4溶液为电解液对碳纤维进行电化学改性处理,通过循环伏安测试,XPS、SEM和XRD分析探讨了H3PO4溶液体系中碳纤维表面电化学改性机理。结果表明:在改性处理初期,纤维表面已有电活性物质发生电化学反应产生新的活性碳原子,此后伴随着水的电解析氧反应纤维表面进一步受到氧化和刻蚀,表面氧元素含量增加,而且各种含氧官能团含量随着改性处理得进行不断变化,其中羧基和酸酐含量明显增加。纤维表面粗糙度增加,沟槽加深加宽,但其本体结构并没有改变,只是表面层微晶尺寸有所减小,晶面间距有所增大。     

沥青基炭纤维表面改性对炭／炭复合材料力学性能的影响

为了提高沥青基炭纤维表面活性,采用臭氧氧化法对沥青基炭纤维表面进行改性。采用AFM,XPS研究了臭氧改性后沥青基炭纤维表面结构的变化。利用浸润仪测定了改性前后沥青基炭纤维表面能的变化,并用SEM分析了炭/炭复合材料断口形貌。结果表明,臭氧氧化使沥青基炭纤维表面含氧官能团和表面粗糙度增加,提高了沥青基炭纤维的表面能。炭/炭复合材料力学性能得到明显提高。     

PAN基碳纤维表面液相氧化改性研究

利用拉曼光谱(Raman),红外光谱(IR)和扫描电镜(SEM)对经过KClO3/H2SO4液相改性处理的碳纤维(CF)表面结构进行了研究,并初步讨论了微观结构对碳纤维单丝力学性能的影响.结果表明:纤维表面的沟槽随改性处理时间增加逐渐加深;表面处理的刻蚀作用会使晶粒边界活性增大,石墨微晶变小;改性处理能够增加CF表面活性官能团(羧酸(-C=O)和酚羟基(-OH)),降低碳纤维表面惰性;表面处理后纤维的力学性能均有所下降,液相氧化处理60min和120min后,拉伸强度分别降低约15％和50％.