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。     

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。     

冷等离子体接枝处理对碳纤维织物／环氧复合材料界面性能的影响

采用冷等离子体接枝法对碳纤维织物进行表面处理,在纤维表面产生活性官能团,研究了冷等离子体接枝处理对碳纤维织物/环氧复合材料的层间剪切强度的影响。实验结果表明,冷等离子体接枝处理提高了碳纤维表面活性,从而改善了碳纤维织物/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。     

高强/高模碳纤维复合材料界面影响机制及界面相构筑研究进展

复合材料界面工程一直是碳纤维树脂基复合材料的热点研究方向,界面相作为碳纤维增强体和树脂基体间传递载荷的"桥梁",影响复合材料的刚度强度发挥效率,因而界面相的设计与调控对于复合材料界面增强和提高宏观力学性能具有重要意义。针对高强/高模碳纤维表面物理化学特性、树脂基体的性能匹配以及不同类石墨结构表面等影响因素,简述了碳纤维表面结构、树脂基体模量与界面增强的关联机制,耐高温和分子自组装新型界面相构筑的进展及其界面增强效果,提出了复合材料刚柔平衡界面相的发展策略。     

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。     

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。     

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。     

我国碳纤维增强SiC基复合材料抗烧蚀改性进展研究

碳纤维增强SiC基复合材料(C/SiC)因具有耐高温、抗氧化、高比强和高比模等优点,被认为是代替高温合金作为热结构材料最有潜力的备选材料之一。由于碳纤维抗氧化性能差以及SiC基体在超高温烧蚀环境下氧化产物易挥发等问题,需要对C/SiC复合材料进行抗烧蚀改性。目前,针对C/SiC复合材料抗烧蚀改性的途径主要有优化碳纤维预制体结构和增加复合材料的致密度、采用超高温陶瓷改性SiC基体以及在复合材料表面制备抗烧蚀涂层。综述了国内关于C/SiC复合材料抗烧蚀改性的研究工作,同时提出了抗烧蚀改性制备工艺过程中面临的关键问题,为C/SiC复合材料抗烧蚀改性研究提供了思路。     

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。     

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％.     

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.     

CF／PPEK和CF／PPES复合材料界面研究

利用X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)研究了碳纤维/杂萘联苯聚醚酮(CF/PPEK)和碳纤维/杂萘联苯聚醚砜(CF/PPES)复合材料的界面状态和结构,证明了纤维和聚合物的界面上确有新的化学结构出现,使CF/PPEK和CF/PPES的界面形成强的物理和化学作用。     

碳纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料体系冲击后压缩强度研究

探讨了树脂基体、碳纤维增强体以及树脂基体 纤维的界面等对双马来酰亚胺 (简称双马 )树脂基复合材料冲击后压缩强度 (CAI)值的影响 ,指出降低树脂基体的交联密度和产生微观两相结构是提高碳纤维 /双马复合材料CAI值的两个典型方法。合适的树脂含量有利于保持复合材料体系较高的CAI值 ,采用高强高韧性的碳纤维可明显提高复合材料体系的CAI值。为获得较高的CAI值 ,保持合适的树脂基体 纤维界面性能也是必要的     

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。     

CF3052/5284RTM 复合材料湿热性能

通过对CF3052/5284RTM复合材料进行试验研究,测定其在不同湿热条件下的基本力学性能,分析湿热条件对基本力学性能的影响。结果表明:湿热环境对该复合材料力学性能的影响程度不一,其中湿度的作用较温度更加明显;该复合材料在高温湿态条件下保持了较高的拉伸和纵横剪切强度,具有综合力学性能好、耐湿热性能好等优点。     

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.     

Microstructure,thermophysical property and ablation behavior of high thermal conductivity carbon/carbon composites after heat-treatment

Uni-directional carbon/carbon composites with high thermal conductivity are suitable to supply continuous thermal protection for future reentry vehicles since they could reduce surface temperature and ablation rates simultaneously in harsh environments. In this work, the high thermal conductivity carbon/carbon composites were prepared by chemical vapor infiltration. After heat-treatment, both their open porosity and internal friction increase due to the fiber/matrix thermal expansion mismatch; while their thermal conductive performance become better due to more complete carbon structure. With raising heat-treatment temperature from 1800 °C to 2450 °C, the mass and linear ablation rates of C/C composites with fibers vertical to the oxyacetylene torch for 60 s decrease from 0.66 mg/s and 2.95 μm/s to 0.51 mg/s and 2.05 μm/s respectively. The improved ablation resistance is resulted from the increased thermal conductivity from 282 to 508 W/(m·K) and more carbon fibers exposed to the flame during ablation, which have better oxidation resistance than those of carbon matrix. While such ablation rates become larger for composites with fibers parallel to the flame, from 1.02 mg/s and 3.73 μm/s to 1.28 mg/s and 5.01 μm/s respectively since the ablation occurred more easily through gaps at the fiber/matrix interfaces, which become larger and are always exposed to the flame for this case.     

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。