碳纖維表面能、表面粗糙度及化學(xué)組成的表征.pdf

1、碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐疲勞等優(yōu)異性能，碳纖維作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、汽車部件等眾多領(lǐng)域。碳纖維表面特征對碳纖維及其復(fù)合材料的性能有很大的影響。本課題確立穩(wěn)定地表征碳纖維表面能、表面粗糙度、化學(xué)組成的測試方法、研究國產(chǎn)碳纖維與T300表面的特征、碳纖維表面特征隨制備復(fù)合材料過程中的工藝溫度的變化。
　　確定穩(wěn)定的碳纖維表面特征的測試方法，以便能夠得到真實(shí)的碳纖維表面特征。在碳纖維表面能的測試方法中，采

2、用表面界面張力儀進(jìn)行測試，分別研究制樣方法和測試過程所采用的參數(shù)對測試結(jié)果的影響。在碳纖維表面粗糙度的測試方法中，采用原子力顯微鏡(AFM)進(jìn)行測試，系統(tǒng)地研究了掃描次數(shù)以及測試過程中所采用的掃描面積這兩方面因素對測試結(jié)果的影響，并借助激光共聚焦顯微鏡，最終確定了較好的測試參數(shù)。在碳纖維表面化學(xué)組成的測試方法中，采用X射線光電子能譜(XPS)進(jìn)行測試，通過對測試結(jié)果重復(fù)性和刻蝕趨勢兩方面進(jìn)行研究，最終確定測試過程中樣品狀態(tài)和采用的儀器參

3、數(shù)。
　　在已確定的穩(wěn)定的測試方法的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究國產(chǎn)碳纖維和T300的表面能、表面能的極性和色散分量、表面形貌、表面粗糙度以及表面化學(xué)組成等表面特征。研究結(jié)果表明，不同批次碳纖維的性能有所不同。對于性能較穩(wěn)定的批次的碳纖維，國產(chǎn)碳纖維表面能的極性分量小于T300。國產(chǎn)碳纖維和T300表面都有數(shù)目眾多的溝槽，且分布較均勻；二者粗糙度屬于同一水平。國產(chǎn)碳纖維表面的C、Si含量大于T300表面的C、Si，而O、N含量小于T300表

4、面的O、N。國產(chǎn)碳纖維本體的O、Si含量大于T300本體中的O、Si含量，而C、N含量小于T300本體結(jié)構(gòu)中的C、N含量。通過對C1s譜進(jìn)行分峰擬合，得到兩種碳纖維表面官能團(tuán)主要有-C-C-、-C-O-和-O-C=O三種，其中國產(chǎn)碳纖維表面-C-C-含量要高于T300表面官能團(tuán)的含量，而-O-C=O含量卻低于T300。
　　研究在復(fù)合材料制備工藝過程中，碳纖維表面能、表面形貌、表面粗糙度及化學(xué)組成隨溫度的變化趨勢。結(jié)果表明，國產(chǎn)碳

5、纖維和T300的表面能均隨著處理溫度的升高，先升高而后降低。國產(chǎn)碳纖維表面粗糙度隨處理溫度的升高而增大，在200℃時(shí)粗糙度最大，而 T300表面溝槽數(shù)目隨處理溫度的升高，先增加后減少，在180℃時(shí)粗糙度最大。兩種碳纖維表面元素含量隨溫度的升高而發(fā)生變化，當(dāng)溫度達(dá)到180℃時(shí)，表面C含量最低，O含量最高。
　　研究在碳纖維復(fù)合材料制備工藝過程中，碳纖維的力學(xué)性能所發(fā)生的變化。通過單絲拉伸實(shí)驗(yàn)和Weibull分布研究了國產(chǎn)碳纖維和T3