碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能研究.pdf

1、碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料因其比重輕、比強度高、比剛度大、熱膨脹系數(shù)小、可設(shè)計性強，同時還兼?zhèn)淠透g和抗疲勞等諸多優(yōu)點，在許多領(lǐng)域應(yīng)用時很好地起到減輕結(jié)構(gòu)重量、降低成本、節(jié)約資源以及優(yōu)化工藝的作用。但是目前，碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在實際工程應(yīng)用中仍然存在界面結(jié)合弱、易發(fā)生脆性斷裂等問題。因此，如果能夠通過簡單、經(jīng)濟、有效的方法對碳纖維表面進行改性，并對樹脂基體進行增韌改性，這些都必將有效改善復(fù)合材料容易分層和脆斷等問題，這對提升

2、碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在多種載荷作用下的力學(xué)性能和穩(wěn)定性等具有十分重要的現(xiàn)實意義。本研究首先采用去離子水超聲、濃硝酸浸泡、濃硝酸超聲等不同方式對碳纖維表面改性的效果進行了考察，最后優(yōu)選出了濃硝酸-超聲協(xié)同改性的方法，對碳纖維表面進行了成功有效的改性，并對改性后碳纖維及其環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能進行了詳細研究。其次，通過設(shè)計碳纖維平紋布的鋪層角度和順序，考察了不同鋪層方式下復(fù)合材料的力學(xué)性能，得到了力學(xué)性能較佳的復(fù)合材料鋪層設(shè)

3、計方法。最后，我們用成本較低、簡單易操作和效果顯著的液體丁腈橡膠（LNBR）和納米二氧化硅作為增韌劑，對復(fù)合材料增韌改性的效果進行了研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴用去離子水超聲、濃硝酸浸泡、濃硝酸超聲等對碳纖維進行表面處理，研究了表面處理對碳纖維表面微結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)組成、相結(jié)構(gòu)、復(fù)絲拉伸強度以及改性碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：硝酸氧化和超聲處理對碳纖維表面進行了有效改性，其中硝酸處理使碳纖維

4、表面粗糙度和含氧官能團數(shù)量顯著增大，超聲處理使碳纖維獲得了良好的分散性并使碳纖維比表面積和含氧官能團增加。而硝酸-超聲協(xié)同處理使得碳纖維中的微晶尺寸變小，碳纖維表面活性增大。硝酸氧化與超聲空化相結(jié)合強化了碳纖維表面的氧化和刻蝕作用，從而增強了碳纖維與樹脂基體界面之間的“機械錨定”和“化學(xué)鍵合”作用，使碳纖維與樹脂之間的界面結(jié)合強度得以有效提高，從而顯著改善了復(fù)合材料的力學(xué)性能。⑵考察了濃硝酸-超聲協(xié)同改性碳纖維過程中，處理溫度、超聲時間

5、對改性后碳纖維的失重率、表面微觀形貌、表面化學(xué)結(jié)構(gòu)及元素含量、潤濕性、復(fù)絲拉伸強度等的影響效果。研究結(jié)果表明：隨著硝酸-超聲處理溫度的升高和處理時間的延長，碳纖維表面變得更加粗糙、失重率逐漸增加而復(fù)絲拉伸強度不斷降低。同時，碳纖維表面的含氧官能團數(shù)量、活性基團含量逐漸增加，從而使得碳纖維與環(huán)氧樹脂間的浸潤性、反應(yīng)性、機械錨合作用和結(jié)合力增大，最終使改性碳纖維增強復(fù)合材料的力學(xué)性能得以顯著提高。綜合考慮不同條件改性后碳纖維及其增強復(fù)合材料

6、的各方面性能，本研究確定了用硝酸-超聲協(xié)同改性碳纖維的最佳工藝條件為60℃/2h。⑶通過改變碳纖維平紋布的鋪層角度和鋪層順序，制備了五種不同鋪層方式的復(fù)合材料，并對它們的力學(xué)性能進行了考察和對比分析。結(jié)果表明：隨著纖維鋪層角度和鋪層順序的變化，制備的復(fù)合材料力學(xué)性能各異，含有(±45)平紋布鋪層的復(fù)合材料，它們的拉伸斷裂伸長率有一定幅度的提高，但它們的拉伸強度和拉伸模量明顯下降，復(fù)合材料的彎曲強度和彎曲模量也有較為明顯地下降，(±45)

7、平紋布層數(shù)越多下降越明顯。最終綜合考慮，確定了拉伸和彎曲性能最佳時的鋪層方式為[(0,90)]4。⑷分別使用LNBR和納米二氧化硅對復(fù)合材料進行了增韌改性研究，通過對比增韌劑在不同添加量時復(fù)合材料的力學(xué)性能，確定出各自的最佳添加量，并結(jié)合它們各自的增韌改性機理對實驗數(shù)據(jù)進行了深入分析。研究結(jié)果表示：這兩種增韌劑都可以對復(fù)合材料起到增韌補強的作用，二者在改善復(fù)合材料力學(xué)性能方面又有著各自突出的一面。我們發(fā)現(xiàn)，適宜的LNBR對復(fù)合材料的彎曲