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。     

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。     

碳纤维表面性质分析及其对复合材料界面性能的影响

研究了T300-3K和T300-6K碳纤维的表面物理和化学特性,并对其与环氧树脂复合材料体系的界面性能进行了测试与分析。结果表明T300-6K碳纤维表面的O/C比和活性碳原子比例均高于T300-3K碳纤维。T300-6K碳纤维表面沟槽深度、宽度和长度均大于T300-3K碳纤维但表面粗糙度较小。T300-6K碳纤维环氧树脂体系的界面剪切强度与相应的T300-3K体系基本相当。     

PBO-C/ E 复合材料的界面及压力容器性能

研究了PBO纤维与T700碳纤维混杂复合材料的界面性能和压力容器性能。采用层间剪切强度测试和吸水率测试研究了不同混杂比对混杂复合材料界面粘接性能和吸水性能的影响。研制了PBO纤维与T700碳纤维混杂复合材料Ф150 mm压力容器,对容器的水压爆破性能和轴压承载性能进行了测试。结果表明:混杂复合材料的层间剪切强度随着混杂比增大逐渐升高,当T700碳纤维含量较低时,混杂复合材料界面粘接性能提高并不明显;混杂复合材料的吸水率介于PBO纤维和T700碳纤维复合材料之间,近似符合"混合定律",界面数对混杂复合材料吸水性影响较大;混杂复合材料Ф150 mm容器的PV/W随着混杂比增大逐渐降低,混杂工艺能够使PBO纤维复合材料容器的轴压承载性能提高31%。     

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。     

国产T700级碳纤维表面特性对BMI复合材料湿热性能的影响

分别采用SEM、AFM、XPS和TGA对两种国产T700碳纤维和国外东丽T700S碳纤维的表面形貌、表面化学特性以及碳纤维上浆剂耐热性进行了表征,通过纤维性能转化率的计算,考查了T700碳纤维/双马复合材料的界面粘结性能,并通过T700碳纤维/双马复合材料湿热条件处理前后的0o拉伸强度和层间剪切强度测试对复合材料的耐湿热性能进行了表征。研究发现T700碳纤维的表面粗糙度和活性官能团含量等表面特性对双马复合材料的界面粘结性能具有显著影响,进而在一定程度上影响着双马复合材料的耐湿热性能。研究结果表明:国产T700碳纤维/双马树脂复合材料的耐湿热性优于国外同类T700碳纤维双马复合材料。     

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。     

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。     

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。     

碳纤维特性对C/ C 复合材料界面性能的影响

分别采用扫描电镜、比表面积与孔体积分析仪等手段对日丝(RS-Cf ) 和美丝(MS-Cf ) 两种碳纤 维进行表面状态表征分析,通过纤维顶出试验、冲剪强度和弯曲强度对两种纤维制备的C/ C 复合材料界面性 能进行了微观和宏观测试,研究了不同表观结构纤维对C/ C 复合材料界面性能的影响。纤维表面形貌观察结 果表明:圆形RS-Cf 表面沟槽比腰果形MS-Cf 明显,但沟槽数量少于MS-Cf,而MS-Cf 的比表面积、孔体积和 孔径均大于RS-Cf。RS-C/ C、MS-C/ C 复合材料界面强度分别为2. 98 和3. 80 MPa;RS-C/ C 复合材料的弯曲 和冲剪强度分别为55. 9 和32. 0 MPa,低于MS-C/ C 复合材料的65． 0 和35. 2 MPa,微观和宏观力学性能均表 明MS-C/ C 复合材料的界面强度高于RS-C/ C 复合材料。     

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.     

改性聚芳基乙炔树脂性能研究

通过添加改性剂得到了改性聚芳基乙炔树脂，对树脂和树脂固化物分别进行了差热扫描热分析(DSC)和热重分析(TG)。通过对复合材料的纤维单丝界面剪切强度和层间剪切强度测试，研究了树脂与碳纤维的界面结合性能，并对编织织物增强的改性聚芳基乙炔树脂基体复合材料进行了烧蚀试验。结果表明，改性聚芳基乙炔树脂固化放热减小，而基本不影响其树脂传递模塑(RTM)工艺性和耐高温性能，明显改善了与碳纤维的界面性能，复合材料的界面剪切强度提高了40％-50％，层间剪切强度提高了将近一倍；烧蚀性能与未改性树脂基本相当。     

碳纤维表面处理对碳-酚醛复合材料界面粘接的影响

本文研究了液相氧化、电化学氧化和电化学聚合等表面处理对碳纤维的束丝强度和碳-酚醛复合材料的层间剪切强度的影响,并利用纤维的表面能和试件断口的扫描电镜形貌分析讨论了碳-酚醛复合材料中纤维与树脂界面的粘接机理。     

国产T800级碳纤维/环氧树脂复合材料湿热性能

采用扫描电镜、红外图谱分析三种国产T800级碳纤维的物理形貌以及表面上浆剂的化学结构。针对三种国产T800级碳纤维(CCF800)/环氧树脂复合材料在湿热环境下的吸湿行为,研究经不同时间湿热和高温环境下处理后的层间剪切性能,并通过扫描电镜观察湿热处理后的复合材料界面结合状态。结果表明:三种国产T800级碳纤维表面物理形貌相同,而表面化学结构存在一定差异;三种碳纤维环氧复合材料的"饱和"吸湿周期相同,约为54 d,95%饱和吸湿周期也相同,约为30 d;而饱和吸湿量存在明显差异,其中3号纤维上浆剂中由于羟基含量最高,导致其环氧树脂基复合材料吸湿率最高,在高温高湿作用下,层间剪切强度下降最为明显。     

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。     

碳纤维表面处理新工艺——电化学处理法

本文根据国内外资料,介绍了一种新的、有前途的碳纤维表面处理工艺——电化学处理法。处理时,采用电化学法在做为阳极的碳纤维上沉积聚合物层。该工艺的特点是处理时间短(数分钟),效果显著,不损伤纤维并能同时提高复合材料的内层剪切强度和冲击韧性。 选择有效而性能优异的聚合单体是本方法的努力目标之一。据文献报道,聚合物性能改进的程度与进入碳纤维的界面相聚合物性质有关。界面相聚合物的分子量、化学组成和支链是起影响作用的分子因素。显然,在碳纤维上沉积聚合物,为获得优良的复合材料性能提供了有效的方法。     

硼纤维/环氧复合材料界面剪切强度的测试与研究

设计了一种单纤维拔出试样制备方法,分析了单根硼纤维拔出特性;同时采用该方法分别测试了四种硼纤维/环氧复合材料界面剪切强度。固化剂采用异佛尔酮二胺(IPDA)的硼纤维/环氧复合材料界面剪切强度比采用二乙烯三胺(DETA)的提高了44.7%;采用液体丁腈橡胶(LNBR)改性环氧树脂的硼纤维/环氧复合材料界面剪切强度提高了97.7%~135%。     

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.