纳米碳接枝碳纤维增强体的表征及其复合材料界面性能

论文摘要

碳纤维（CF）作为功能复合材料中重要的增强体,在国防科技等领域具有重要的作用。碳纤维和基体之间的界面粘结强度是评价碳纤维复合材料力学性能好坏的重要指标,只有二者之间实现较好的界面结合,碳纤维才可能有效地传递外界应力,从而提高复合材料的力学性能。本文利用“Grafting-to”化学修饰法分别制备了碳纳米管接枝碳纤维（CF-CNTs）和氧化石墨烯接枝碳纤维（CF-GO）新型增强体。利用红外光谱、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜和原子力显微镜对样品的官能团和表面形貌进行了表征;利用接触角测量、浸润及单丝拉伸方法研究了接枝前后碳纤维单丝的润湿性能及拉伸强度,并通过微脱粘法测试了其复合材料的界面剪切强度,同时探索了碳纳米管的最佳接枝量。结果表明,羧基化后的碳纳米管及氧化石墨烯分别以化学键合的方式接枝在改性碳纤维表面。在20℃30℃,聚酰胺-胺的含量为60%,碳纳米管接枝量为15%时,碳纳米管在碳纤维表面接枝效果最佳,使碳纤维表面粗糙度提高了179.3%,表面能提高了41.3%,拉伸强度提高了22%,最大吸附树脂的量提高了228.9%,复合材料的界面剪切强度提高了178%;另外,氧化石墨烯的接枝修饰虽然对碳纤维的拉伸强度影响不大,但却使碳纤维的表面粗糙度提高了175.4%,表面能提高了46.3%,最大吸附树脂的量提高了358.1%,复合材料的界面剪切强度提高了117.7%。这表明碳纳米管和氧化石墨烯的接枝有利于改善碳纤维复合材料的界面性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外碳材料研究进展
• 1.2.1 碳纤维表面处理研究
• 1.2.2 碳纳米管的功能化研究
• 1.2.3 氧化石墨烯的研究
• 1.2.4 碳纤维新型增强体的研究进展
• 1.3 课题的主要研究内容
• 第2章 实验材料及研究方法
• 2.1 实验药品
• 2.2 样品制备
• 2.2.1 碳纳米管的羧基化
• 2.2.2 氧化石墨烯的制备
• 2.2.3 碳纤维的表面修饰
• 2.3 研究方法
• 2.3.1 红外光谱
• 2.3.2 X 射线光电子能谱
• 2.3.3 拉曼光谱分析物质结构
• 2.3.4 扫描电镜分析表面形貌
• 2.3.5 原子力显微镜分析表面形貌
• 2.3.6 透射电镜
• 2.3.7 碳纤维的拉伸强度分析
• 2.3.8 碳纤维的表面能分析
• 2.3.9 碳纤维复合材料的界面剪切强度分析
• 2.3.10 碳纤维的浸润性能测试
• 2.3.11 接枝量的计算
• 第3章 纳米碳接枝碳纤维增强体的表征
• 3.1 碳纳米管的表征
• 3.2 氧化石墨烯的表征
• 3.2.1 氧化石墨烯红外光谱分析
• 3.2.2 氧化石墨烯拉曼光谱分析
• 3.2.3 氧化石墨烯透射电子显微镜分析
• 3.2.4 氧化石墨烯原子力显微镜分析
• 3.3 碳纤维新型增强体的表征
• 3.3.1 碳纤维新型增强体的红外光谱分析
• 3.3.2 碳纤维新型增强体的X 射线光电子能谱分析
• 3.3.3 碳纤维新型增强体的扫描电镜分析
• 3.3.4 碳纤维新型增强体的原子力显微镜形貌分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 改性碳纤维及其复合材料的力学性能
• 4.1 碳纤维表面能及润湿性
• 4.2 碳纤维的浸润性能
• 4.3 碳纤维单丝拉伸强度
• 4.3.1 不同酸处理的碳纳米管接枝碳纤维对其拉伸强度的影响
• 4.3.2 碳纳米管接枝量对碳纤维拉伸强度的影响
• 4.3.3 纳米碳接枝碳纤维单丝的拉伸强度
• 4.4 碳纤维复合材料的界面剪切强度
• 4.4.1 不同酸处理对复合材料界面剪切强度的影响
• 4.4.2 碳纳米管的接枝量对复合材料界面剪切强度的影响
• 4.4.3 氧化石墨烯接枝碳纤维复合材料的界面剪切强度
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢