碳纤维表面耐高温上浆剂的工艺研究及其效果评价

论文摘要

随着航空航天事业的发展,对耐高温碳纤维复合材料的需求与日剧增,而碳纤维做成复合材料之前都要对其进行上浆处理,而上浆剂耐热性的好坏直接影响了复合材料界面的性能。目前用于碳纤维的上浆剂以环氧树脂系为主,环氧上浆剂最高只能耐温180℃,而航空领域很多材料需要在250℃高温环境下工作,而目前尚无耐250℃高温碳纤维上浆剂的报道,因此本论文研究制备一种耐250℃以上的碳纤维高温上浆剂具有重要意义。本论文采用的上浆剂是聚酰胺酰亚胺(PAI)溶液,通过高效液相色谱和红外光谱对浆料分析得出,上浆剂仅含聚酰胺酰亚胺一种主要组分;对上浆剂的耐热性进行分析,得出采用室温→110℃(5h)→210℃(10h)的固化工艺可使浆料耐热超过250℃;通过不同浓度上浆剂对纤维上浆,结果表明质量分数为0.1%为最佳上浆浓度,上浆后纤维具有良好的表面特征,并在250℃下处理24h失重仅为4‰。采用扫描电子显微镜和原子力显微镜对上浆前后碳纤维表面形貌进行表征,结果表明上浆可以很好的改善纤维的表面形貌;通过将纤维在不同溶剂下的接触角测试,结果表明上浆后纤维的表面能较裸纤维有着较大的提高;XPS测试结果表明上浆后纤维表面的极性增强,从而增强了在树脂基体中的浸润能力;将上浆纤维分别与环氧树脂和双马来酰胺树脂形成的单丝复合材料在250℃处理24h,界面剪切强度仅分别下降2.15%和1.93%,说明两种单丝复合材料耐高温性很好,还对上述两种单丝复合材料进行耐湿热测试,由于水分的渗入,导致界面剪切强度分别下降了30.78%和25.92%,但除去水分后界面剪切强度得到一定的恢复,说明水煮72h后未造成单丝复合材料之间界面的完全开裂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 碳纤维的国内外研究现状
• 1.2.1 碳纤维的分类
• 1.2.2 碳纤维表面改性方法研究进展
• 1.3 碳纤维用上浆剂的国内外研究进展
• 1.4 上浆剂对界面作用的研究进展
• 1.4.1 上浆剂的质量分数对界面性能的影响
• 1.4.2 上浆剂厚度的影响
• 1.4.3 上浆剂对树脂浸润性的影响
• 1.4.4 上浆剂对复合材料IFSS 和ILSS 的影响
• 1.5 聚酰胺酰亚胺树脂（PAI）做上浆剂的研究
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 实验材料和实验方法
• 2.1 实验材料和实验仪器
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 碳纤维上浆剂成分的表征
• 2.2.1 PAI 上浆剂的高效液相色谱分析
• 2.2.2 PAI 上浆剂的红外光谱表征
• 2.2.3 PAI 上浆剂的热重分析测试
• 2.2.4 PAI 上浆剂的固含量的测定
• 2.3 PAI 上浆碳纤维的工艺及表征
• 2.3.1 碳纤维的上浆工艺
• 2.3.2 碳纤维上浆浓度的研究
• 2.3.3 上浆后碳纤维热失重测试
• 2.3.4 原子力显微镜表征上浆后碳纤维表面形貌
• 2.3.5 扫描电子显微镜表征上浆后碳纤维表面形貌
• 2.3.6 纤维表面能的测试分析
• 2.3.7 纤维单丝拉伸强度测试分析
• 2.3.8 碳纤维在树脂基体中的浸润性测试
• 2.3.9 X-射线光电子能谱表征纤维表面化学组成
• 2.4 单丝复合材料耐高温性能的测试
• 2.4.1 单丝复合材料界面剪切强度测试
• 2.4.2 单丝复合材料的水煮测试
• 第3章 PAI 上浆工艺及上浆纤维性能的研究
• 3.1 PAI 上浆剂的组分剖析
• 3.1.1 PAI 上浆剂的高效液相色谱分析
• 3.1.2 PAI 上浆剂的红外光谱分析
• 3.1.3 PAI 浆料的耐热性分析
• 3.1.4 PAI 浆料的固含量
• 3.2 碳纤维上浆工艺研究及上浆纤维性能的评价
• 3.2.1 碳纤维上浆浓度的研究
• 3.2.2 PAI 上浆纤维、T800 纤维、国产光威碳纤维及T300 纤维耐热性评价
• 3.2.3 扫描电子显微镜研究PAI 上浆对纤维表面形貌的影响
• 3.2.4 原子力显微镜研究PAI 上浆对纤维表面形貌的影响
• 3.2.5 PAI 上浆对碳纤维单丝拉伸强度性能的研究
• 3.2.6 PAI 上浆对纤维在环氧树脂中浸润性能的研究
• 3.2.7 PAI 上浆对碳纤维表面能的影响
• 3.3 PAI 上浆对碳纤维表面化学性能的影响
• 3.3.1 PAI 上浆对碳纤维表面元素的影响
• 3.3.2 PAI 上浆对碳纤维表面官能团的影响
• 3.4 PAI 上浆纤维单丝复合材料耐高温及耐水煮性能的评价
• 3.4.1 单丝复合材料的耐高温性能评价
• 3.4.2 单丝复合材料的耐水煮性能评价
• 结论
• 参考文献
• 致谢