超临界流体对碳纤维表面处理的研究

论文摘要

碳纤维具有高强度高模量等优点,在树脂基复合材料方面得到了广泛的应用。但由于碳纤维表面光滑、表面能低等特点,严重影响了碳纤维与树脂之间的界面结合性能,为此本文分别利用超临界H2O/H2O2体系对碳纤维表面进行氧化处理和超临界H2O/TETA体系对碳纤维表面进行涂覆处理,提高碳纤维表面的粗糙度,达到改善纤维和基体之间的浸润性,提高碳纤维和树脂基体的界面结合力。对超临界流体氧化处理前后碳纤维进行单丝拉伸强度的测试,扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）测试结果表明:超临界流体氧化处理对碳纤维本体强度有不同程度的损伤,随着氧化剂的增加,从X射线光电子能谱（XPS）图中可以得到,O/C的值增加,测试结果表明在纤维表面引入一定数量含氧基团,但氧化也对纤维表面石墨弱层造成破坏,导致纤维本体强度的降低,利用层间剪切强度（ILSS）和界面剪切强度（IFSS）来评价碳纤维复合材料界面性能,通过测试结果得到,氧化处理最佳状态时,IFSS从82.27MPa提高到106.66MPa,ILSS从62.10MPa提高到70.75MPa,处理后碳纤维表面由于粗糙度和含氧官能团分别增加这两个原因,使得碳纤维和树脂基体之间的界面结合能力提高。在超临界状态下在碳纤维表面涂覆三乙烯四胺（TETA）,通过SEM和AFM对纤维表面进行观察,与未进行涂层处理的纤维表面相比,改性后纤维表面明显从光滑变得粗糙,呈现不同程度的凸起,根据XPS测试结构表明在纤维表面N、O元素大幅度增加,在纤维表面引入氨基,与环氧基团形成氢键键合作用,提高界面的结合能力,但是通过IFSS和ILSS测试结果表明,复合材料的性能并未随着TETA含量的增加而增强,同样存在一个最佳值,纤维复合材料的IFSS从131.69MPa提高到161.88MPa,ILSS从66.452MPa提高到79.247MPa,界面的性能得到了提高。利用超临界H2O/H2O2体系对碳纤维进行氧化处理和超临界H2O/TETA体系对碳纤维表面进行涂覆处理在一定程度上达到改善纤维和树脂之间浸润性的目的,使得纤维与基体树脂之间的机械啮合能力增加,提高复合材料的力学性能。

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 超临界流体简介
• 1.3 超临界流体的应用
• 1.3.1 萃取技术
• 1.3.2 制备发泡聚合物
• 1.3.3 制备微细颗粒
• 1.3.4 化学中的应用
• 1.3.5 非均相催化反应
• 1.3.6 染色技术
• 1.3.7 治理工业污染
• 1.4 碳纤维表面改性方法简介
• 1.5 碳纤维复合材料的应用现状及前景
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 实验材料及实验方法
• 2.1 实验原材料及实验设备
• 2.1.1 原材料
• 2.1.2 其它材料
• 2.1.3 实验设备及测试仪器
• 2.2 碳纤维表面预处理
• 20/H₂0₂ 体系对碳纤维进行氧化处理'>2.3 超临界H₂0/H₂0₂体系对碳纤维进行氧化处理
• 20/TETA 体系对碳纤维进行涂层处理'>2.4 超临界H₂0/TETA 体系对碳纤维进行涂层处理
• 2.5 碳纤维复合材料性能的测试方法
• 2.5.1 单丝复合材料界面剪切强度的测试
• 2.5.2 复合材料层间剪切强度测试
• 2.6 纤维性能的测试方法
• 2.6.1 X-射线光电子能谱表征纤维表面化学组成
• 2.6.2 扫描电子显微镜表征纤维表面形貌
• 2.6.3 原子力显微镜表征纤维表面形貌
• 2.6.4 纤维单丝拉伸强度测试分析
• 20/H₂0₂体系对碳纤维进行氧化处理'>第3章 超临界H₂0/H₂0₂体系对碳纤维进行氧化处理
• 20/H₂0₂ 处理对单丝力学性能的影响'>3.1 超临界H₂0/H₂0₂处理对单丝力学性能的影响
• 20/H₂0₂ 体系氧化对碳纤维表面物理性能的影响'>3.2 超临界H₂0/H₂0₂体系氧化对碳纤维表面物理性能的影响
• 3.2.1 碳纤维表面SEM 形貌分析
• 3.2.2 碳纤维表面AFM 相貌分析
• 3.3 处理前后碳纤维表面XPS 分析
• 3.3.1 氧化对碳纤维表面元素的影响
• 3.3.2 氧化对碳纤维表面官能团的影响
• 20/H₂0₂ 处理对复合材料界面剪切强度的影响'>3.4 超临界H₂0/H₂0₂处理对复合材料界面剪切强度的影响
• 20/H₂0₂ 对复合材料层间剪切强度的影响'>3.5 超临界H₂0/H₂0₂对复合材料层间剪切强度的影响
• 3.5.1 氧化剂含量对复合材料层间剪切强度的影响
• 3.5.2 反应温度对复合材料层间剪切强度的影响
• 20/H₂0₂ 处理复合材料断口相貌分析'>3.6 超临界H₂0/H₂0₂处理复合材料断口相貌分析
• 3.7 本章小结
• 20/TETA 体系对碳纤维进行涂覆处理'>第4章 超临界H₂0/TETA 体系对碳纤维进行涂覆处理
• 4.1 处理前后碳纤维表面的SEM 和AFM 分析
• 4.1.1 碳纤维表面SEM 形貌分析
• 4.1.2 AFM 对碳纤维表面形貌的分析
• 4.2 涂覆处理对碳纤维表面化学性能的影响
• 20/TETA 体系涂层处理对碳纤维表面化学元素的影响'>4.2.1 超临界H₂0/TETA 体系涂层处理对碳纤维表面化学元素的影响
• 4.2.2 涂覆处理对碳纤维表面官能团的影响
• 4.3 涂覆处理对复合材料界面剪切强度的影响
• 4.4 涂覆处理对复合材料层间剪切强度的影响
• 4.5 涂覆处理碳纤维复合材料断口形貌分析
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢