CF/Epoxy及CF/PI复合材料界面自组装研究

论文摘要

本文提出了一种新的碳纤维（CF）表面改性方法?分子自组装技术。在碳纤维复合材料上实现可调控、定向排列界面相,从分子水平上探索聚合物基复合材料界面作用规律,这对于推动我国复合材料界面科学理论及表面处理技术的发展,都具有重要的理论和实际意义。针对环氧树脂基体,选用硫醇/Ag的自组装体系改性复合材料界面。采用化学镀银的方法使CF表面金属化,通过AFM的形貌测试和力调制技术确定了施镀时间和镀层厚度:在0.5min施镀时间下镀层厚度为80nm。采用XRD测试和冷热循环法研究了镀层的结晶状况和镀层的结合力,结果表明:实验制备的镀层均匀、致密、结合力好,可作为下一步自组装的基底。在镀银碳纤维上进行分子自组装,选用了三类硫醇化合物:羟基取代烷基硫醇、取代芳基硫醇和芳杂环硫醇,对三种自组装膜进行了表面增强拉曼光谱测试（SERS）和XPS测试。SERS分析表明三类硫醇自组装膜均通过形成S-Ag键或N-Ag键化学吸附在镀银碳纤维表面,根据电磁增强表面选择定则能判断分子的吸附取向情况,烷基硫醇以站立的方式取向在CF表面上,芳基硫醇和芳杂环硫醇以平躺或稍倾斜的方式取向在CF表面上。XPS测试也进一步证明了三类自组装膜在CF表面上的化学吸附。研究了自组装改性后的CF对环氧复合材料的界面性能的影响。界面剪切强度（IFSS）测试表明了三类化合物自组装改性CF均提高了其复合材料的界面粘合力,不同链长的烷基硫醇自组装膜（MEOL, MHOL, MUOL）改性CF复合材料的IFSS均较未处理的分别提高了17.3%, 12.2%和24.8%;不同末端官能团的芳基硫醇自组装膜（ATP,HTP）改性CF复合材料的IFSS较未处理的分别提高了19.6%和14.5%;芳杂环类自组装膜（BTA,MBT）改性CF复合材料的IFSS较未处理的分别提高了24.8%和29.9%。探讨了界面微结构对复合材料界面性能的影响。针对CF/聚酰亚胺（PI）复合材料的界面自组装进行了初步探索,选用羟基化表面/有机硅烷衍生物的自组装体系。用氧化还原的方法使CF表面官能团尽可能地羟基化,借助XPS和表面能测试,研究了CF表面官能团的变化,结果表明,其O/C比增加明显,-OH官能团占CF表面总官能团含量的26.89%,为下一步的有机硅烷自组装提供了具有较大-OH覆盖度的基底。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的意义和课题的研究背景
• 1.2 碳纤维表面改性研究进展
• 1.3 分子自组装概况
• 1.3.1 自组装膜的发展简史
• 1.3.2 自组装膜的制备与结构
• 1.3.3 自组装膜的类型
• 1.3.4 自组装膜的表征
• 1.3.5 自组装膜的应用
• 1.4 分子自组装技术引入复合材料界面的应用研究现状
• 1.5 碳纤维复合材料界面表征方法研究现状
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 实验材料及实验方法
• 2.1 实验原料及设备
• 2.1.1 主要原材料
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 碳纤维/环氧复合材料界面自组装
• 2.2.1 碳纤维表面化学镀银工艺
• 2.2.2 镀银碳纤维表面分子自组装
• 2.2.3 自组装改性碳纤维环氧单丝复合材料的制备
• 2.3 碳纤维/聚酰亚胺复合材料界面自组装
• 2.3.1 碳纤维表面氧化还原处理
• 2.3.2 氧化还原处理后碳纤维表面分子自组装
• 2.3.3 自组装改性碳纤维聚酰亚胺单丝复合材料的制备
• 2.4 碳纤维表面性能及复合材料性能表征方法
• 2.4.1 原子力显微镜观察纤维表面形貌
• 2.4.2 拉曼光谱表征纤维表面自组装膜的吸附行为
• 2.4.3 光电子能谱表征纤维表面化学组成
• 2.4.4 毛细法测量纤维表面能
• 2.4.5 红外光谱分析
• 2.4.6 X-射线衍射分析
• 2.4.7 扫描电子显微镜观察纤维镀层形貌
• 2.4.8 界面剪切强度测试
• 第3章 碳纤维表面化学镀银的研究
• 3.1 镀银方法的确定
• 3.2 施镀时间的确定
• 3.3 镀层厚度的确定
• 3.3.1 力调制模式原理
• 3.3.2 镀层厚度的确定
• 3.4 镀层的XRD 分析
• 3.5 镀层结合力测试
• 3.6 本章小结
• 第4章 镀银CF/Epoxy复合材料界面自组装研究
• 4.1 烷基硫醇类自组装膜改性复合材料界面的研究
• 4.1.1 表面增强拉曼散射光谱表征
• 4.1.2 光电子能谱表征
• 4.1.3 界面剪切强度测试
• 4.2 芳基硫醇自组装膜改性复合材料界面的研究
• 4.2.1 表面增强拉曼散射光谱表征
• 4.2.2 光电子能谱表征
• 4.2.3 界面剪切强度测试
• 4.3 芳杂环类自组装膜改性复合材料界面的研究
• 4.3.1 表面增强拉曼散射光谱表征
• 4.3.2 光电子能谱表征
• 4.3.3 界面剪切强度测试
• 4.4 三类硫醇化合物自组装膜对CF
• 4.5 本章小结
• 第5章 CF/PI复合材料界面自组装初探
• 5.1 CF 表面的氧化还原处理
• 5.1.1 XPS 研究氧化和还原对碳纤维表面官能团的影响
• 5.1.2 氧化和还原对碳纤维表面能的影响
• 5.2 羟基化CF 表面的有机硅烷衍生物的自组装改性
• 5.2.1 CF 表面有机硅烷自组装膜的FTIR 结构分析
• 5.2.2 CF 表面有机硅烷自组装膜的XPS 分析
• 5.2.3 CF 表面有机硅烷自组装膜的AFM 形貌分析
• 5.3 CF/PI 微复合材料界面剪切性能的研究
• 5.3.1 CF/PI 复合材料的IFSS
• 5.3.2 CF/iso-PI 复合材料的IFSS
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 原创性声明及使用授权书
• 致谢
• 个人简历