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。     

γ-射线辐照对碳纤维表面结构以及强度的影响

利用高能射线对碳纤维(CF)表面进行改性是高效、节能和环保的一种技术。研究了60Coγ-射线辐照下,吸收剂量在0~1000kGy时,聚丙烯腈基CF表面形貌及结构的变化。利用原子力显微镜(AFM)观察处理前后CF表面形貌的变化。采用Ram an光谱分析了辐照对CF表面结构的影响,并测定了处理前后CF复丝拉伸强度和不同标距下单丝拉伸强度的变化。结果表明,在0~30kGy剂量处理后的CF表面轴向沟槽数量先增加,ID/IG逐渐增大,石墨微晶尺寸(La)减小;当剂量过大时,沟槽数量减少,沟槽变得又深又宽,ID/IG有所降低,La增加,碳纤维表面结晶度提高。结合双参数W e ibu ll理论,计算处理前后的模数m与La的变化趋势一致,说明小剂量辐照下,对碳纤维表面有细晶化作用,在一定程度上可以提高CF的拉伸强度。随着辐照剂量的增加,促进碳原子的排列更规整,向模量较高的方向转化。     

纤维织物增强三元乙丙橡胶绝热材料的制备及性能

为了改善传统短切纤维增强复合绝热材料横向性能较差、层间剪切强度较低、耐冲击性能不足的问题,制备了几种纤维织物增强三元乙丙橡胶(EPDM)复合绝热材料。研究了不同纤维表面改性方法对聚酰亚胺(PI)、芳纶(F-12)和碳纤维(CF)三种纤维织物与EPDM之间的界面粘接性能。将优选的纤维处理方法对三种纤维布进行表面改性处理,制备了纤维织物增强的EPDM复合材料。测试了其力学性能以及耐烧蚀性能。结果表明:三种绝热材料的拉伸强度均在30 MPa以上,耐烧蚀性能优异。在三种织物特定的编织结构条件下,PI/EPDM的线烧蚀率较小,碳层保留最为完整,综合性能最为优异,有望在高性能固体火箭发动机中获得应用。     

浅析影响高模量碳纤维/ 树脂基复合材料力学性能的因素

为提高高模量碳纤维复合材料的力学性能,研究改性氰酸酯、5228、4211与碳纤维结合面结合性能.用SEM、AFM、微脱粘仪、万能力学试验机等仪器设备,观察了碳纤维表面微观形貌、树脂基体与碳纤维结合面微观粘接情况,并对复合材料的宏观力学性能进行分析研究.结果表明,高模量碳纤维随着模量的提高,袁层的缺陷与沟槽减少、表面活性降低,与树脂的结合面粘接强度减弱;改性氰酸酯与纤维的结合面粘接性能较好、5228次之、4211较差;树脂与纤维结合面粘接强度大的,其复合材料的力学性能好.     

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。     

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。     

温度条件对碳纤维上浆剂与双马树脂反应及其复合材料界面粘结的影响

为了研究工艺温度对复合材料界面的调控作用,设计采用三阶段固化工艺(即扩散、固化和后固化),考察了不同温度制度下3种碳纤维/双马树脂(BMI)复合材料界面粘结性能的变化规律。采用原子力显微镜(AFM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)深入分析了上浆剂对纤维表面粗糙度和化学特性的影响,研究了上浆剂的反应活性及其与双马树脂的反应性,采用微珠脱粘方法测试了碳纤维/树脂的界面剪切强度(IFSSs)。结果表明,200℃处理2h后3种碳纤维上浆剂均发生部分反应,并且170℃,2h后上浆剂均与双马树脂发生化学反应。对比不同温度条件可以发现后固化阶段对碳纤维/双马体系的界面剪切强度影响显著,未经后固化的复合材料界面性能最低;110℃和140℃恒温扩散阶段对碳纤维/双马体系的界面剪切强度的影响不明显。同种温度条件下,CF1和CF3上浆剂与双马树脂的反应程度高于CF2,相应的CF1和CF3与双马树脂的界面剪切强度较高,表明上浆剂与双马树脂间的化学反应程度是影响其界面粘结性能的主要因素。该研究结果对我国碳纤维上浆剂的研制具有参考价值。     

纤维表面涂层对碳纤维/聚芳基乙炔性能的影响

为提高碳纤维/聚芳基乙炔(CF/PAA)复合材料的性能,采用不同种类的涂层(环氧,硅氧烷和倍半硅氧烷)对碳纤维(CF)进行表面改性。通过复合材料的短梁弯曲和热氧老化试验表征不同涂层的改性效果。层间剪切强度(ILSS)结果表明,倍半硅氧烷涂层具有最好的处理效果。热氧老化测试结果表明,倍半硅氧烷涂层适用于耐热树脂体系。这种涂层可以通过改变官能团适应不同树脂体系复合材料的界面改性。     

新型杂化浆料的合成及其对碳纤维／异构聚酰亚胺复合材料性能的影响

通过合成新型改性剂--(γ-苯乙炔亚胺基)丙基三乙氧基硅烷(PEIPTES)实现对SiO2前驱体的原位改性,制备新型异构聚酰亚胺/SiO2杂化浆料,利用元素分析、FT-IR、热重分析等对PEIPTES的结构和性能以及新型杂化浆料的结构进行表征与分析.结果表明,杂化浆料中有机相与无机相之间形成化学键.利用该杂化浆料对碳纤维表面进行改性.AFM分析表明,改性后碳纤维表面覆盖一层有纳米级颗粒状突起的物质,增加表面粗糙度,有利于改善复合材料界面性能.复合材料力学性能研究表明,杂化浆料可提高碳纤维/异构聚酰亚胺复合材料的层间剪切强度,当SiO2含量为5wt%时层间剪切强度达到最大值,此时冲击性能和界面耐热性能均有显著提高.     

芳基硫醇在CF/Epoxy复合材料界面上的自组装研究

提出了一种新的碳纤维表面改性方法--分子自组装,即在表面金属化的碳纤维上进行有机分子的自组装.表面增强拉曼散射光谱(SERS)分析证实了末端官能团不同的芳基硫醇化学吸附在银的表面,并形成了平躺取向和倾斜取向的自组装膜结构.X-射线光电子能谱(XPS)测试进一步证实了两种自组装膜通过S原子和Ag形成共价键吸附在碳纤维表面.表面经组装改性后的碳纤维和环氧复合后界面粘结强度得到了不同程度的提高,揭示了界面区域膜结构和性能的关系.     

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。     

热处理方式对石墨纤维性能的影响

研究了分步热处理对石墨纤维力学性能及微观结构的影响,并采用Raman光谱分析了石墨纤维的皮芯结构程度。结果发现:在相同处理条件下,分步热处理有利于石墨纤维拉伸强度和体密度的提高,而其对弹性模量的影响则较小。分步热处理所得石墨纤维的表面石墨化程度较低,内部石墨化程度较高,其皮芯结构因子较大,说明其均质性更好一些。因此,分步热处理有利于提高石墨纤维的致密性和均质性,从而提高其拉伸强度。     

国产T700级碳纤维增强双马树脂基复合材料的力学性能

采用扫描电子显微镜(SEM)、反气相色谱(IGC)和X射线光电子能谱仪(XPS)对国产T700级碳纤维和东丽T700S碳纤维的表面形貌、表面能和表面化学特性进行表征,测试两种碳纤维增强双马树脂基复合材料的力学性能,考察国产碳纤维复合材料的界面黏结性能、韧性和湿热性能。结果表明:碳纤维表面特性(表面形貌、表面能和表面化学组成等)对复合材料界面黏结性能具有显著影响;国产T700级碳纤维/QY9611复合材料在室温下的界面黏结性能优于T700S/QY9611复合材料;国产T700级碳纤维/QY9611复合材料的韧性优异,冲击后压缩强度达到了国外先进复合材料IM7/5250-4的水平;经湿热处理后的层间剪切强度仍与T700S/QY9611复合材料相当,说明国产T700级碳纤维/QY9611复合材料具备良好的湿热性能。     

不同填料对氢化丁腈橡胶耐烧蚀材料性能的影响

以氢化丁腈橡胶(HNBR)为基体,分别添加有机纤维1、有机纤维2、碳纤维粉和纳米无机物,通过形貌分析和X射线能谱仪(EDS),研究不同用量下不同烧蚀填料对HNBR烧蚀性能及力学性能的影响,发现在该试验条件下,添加有机纤维1和纳米无机物的HNBR能获得较好的烧蚀性能;添加有机纤维1时HNBR材料的力学性能很差,纳米无机物的加入对其力学性能影响不大;添加有机纤维2和碳纤维粉的HNBR力学性能变化不大,但烧蚀性能不理想。     

碳纤维含量对Cf/SiO2复合材料组织与性能的影响

采用真空热压烧结工艺制备了碳纤维体积分数分别为20％、40％和60％的高致密Cf/SiO2复合材料，研究了碳纤维含量对其组织结构，力学性能、热膨胀特性和抗氧化性能的影响规律。结果表明：SiO2基体及20％Cf/SiO2复合材料中，SiO2仍保持非晶态，碳纤维含量为40％和60％时，SiO2发生部分析晶；Cf/SiO2复合材料的抗弯强度、断裂韧性和断裂应变，随碳纤维含量增加均呈现先降低后又增加的趋势，而弹性模量则先增后降；60％Cf/SiO2表现出明显伪塑性；碳纤维含量增大，使复合材料的热膨胀系数成倍增加，抗氧化性变差。     

M40J和T300碳纤维的微结构

利用SEM、TEM、XPS、XRD、Raman和元素分析仪分析了M40J和T300的表面化学、物理及微观结构特征.研究发现:M40J含碳量高于T300纤维,而含氮量低于T300纤维,且表面活性基团比T300纤维低;M40J和T300碳纤维表面具有大量沟槽,前者相对长而浅,后者相对短而深;T300纤维端面皮芯结构明显,而M40J端面结构较均匀;M40J的微晶结构及取向性优于T300碳纤维.     

Interfacial Properties Modification of Carbon Fiber/ Polyarylacetylene Composites

This work was dedicated to performing surface oxidation and coating treatments on carbon fibers (CF) and investigating the changes of fiber surface properties after these treatments, including surface composition, relative volume of functional groups, and sur- face topography with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and atom force microscopy (AFM) technology. The results show that, after oxidation treatments, interfacial properties between CF and non-polar polyarylacetylene (PAA) resin are remarkably modified by removing weak surface layers and increasing fiber surface roughness. Coating treatment by high char phenolic resin solution after oxida- tion makes interface of CF/PAA composites to be upgraded and the interfacial properties further bettered.     

超临界CO2技术对空心/实心石英混编纤维表面改性

采用热处理+溶剂浸洗+超临界CO2技术对空心/实心石英混编纤维表面进行预处理,同时利用超临界流体的携带与渗透作用,将KH-560偶联剂引入纤维表面进行改性。采用接触角测试、表/界面张力测试、树脂吸附量测试、力学性能测试、扫描电镜等分别测试纤维表面能、胶液表面张力与接触角、胶液与纤维浸润性,观察纤维表面形貌结构,分析复合材料的力学与介电性能。结果表明:采用热处理+溶剂浸洗+超临界CO2技术可有效去除空心/实心石英混编纤维表面浸润剂,提高纤维表面能,促进胶液与纤维的完全浸润,最终改善复合材料力学与介电性能。     

纤维表面状态对C/C-SiC复合材料微观组织和相成分的影响

为了研究纤维表面状态对C/C-SiC复合材料微观组织和相成分的影响,将T300碳纤维在氮气氛围中进行不同温度的热处理后,采用液硅熔渗法制备了C/C-SiC复合材料。采用光电子能谱(XPS)对纤维表面成分进行了分析。结果表明:未处理纤维表面具有较高的氧含量,随着热处理温度的升高,纤维表面氧含量逐渐降低,导致纤维表面含氧官能团数目减少。扫描电镜(SEM)观察发现:未处理纤维增强的C/C预制体,孔隙尺寸较大且孔隙率低;而经1 500℃热处理纤维增强的预制体,孔隙尺寸较小但孔隙率高。随后对C/C预制体进行液硅熔渗处理,并对熔渗反应过程分析发现:由未处理纤维增强的预制体,液硅熔渗反应主要受溶解-沉淀和界面限制的扩散反应过程控制,获得的C/C-SiC复合材料中SiC基体相分布规则且含量较低,同时含有较高的残留Si;而经1 500℃热处理纤维增强的预制体,熔渗反应则主要受溶解-沉淀过程控制,获得的C/C-SiC复合材料中SiC基体含量多且分布较均匀,残留Si含量较少。