改性玄武岩纤维及其复合材料力学性能研究

论文摘要

玄武岩纤维最初由前苏联科学家开发,完全应用于军事上的航空和航天领域。该纤维是一种与传统应用纤维不同的无机纤维,其力学、耐高温和耐酸碱腐蚀等性能优异且独特。目前,该纤维在纤维增强树脂基复合材料领域已经一定程度上代替玻璃纤维、PBO纤维和碳纤维,极有可能成为当今世界的第四大高性能应用纤维。但玄武岩纤维同其他很多高性能纤维类似,具有表面化学惰性,在作为树脂基复合材料的增强体时与树脂间的结合能力较差,复合材料无法充分发挥纤维自身的力学性能优势,因此当前对玄武岩纤维的研究更多地集中在纤维表面改性方面。本文的主要研究内容是通过对玄武岩纤维进行表面涂层改性,从而提高玄武岩纤维及其复合材料的力学性能,增强复合材料制品的高温稳定性,使复合材料制品具有优异的室温层间剪切强度和高温剩余层间剪切强度。在优化后的玄武岩纤维/酚醛树脂基复合材料热模压成型工艺的基础上,通过使用SiO2、ZrO2和CeO2纳米粒子对实验自制配方的玄武岩纤维通用浸润剂和成膜剂进行改性,获得纳米粒子改性浸润剂和改性成膜剂,并用其对玄武岩纤维进行表面涂层改性,制备成复合材料。通过对复合材料制品层间剪切强度、高温减重以及高温剩余层剪强度的测定,确定出使用SiO2粒子改性浸润剂对玄武岩纤维进行表面改性,可以最大限度提高复合材料的界面强度,同时使用ZrO2粒子改性浸润剂涂层改性的玄武岩纤维具有最优异的抗高温减重性能和层剪强度剩余率。在此基础上,还研究了表面涂覆不同粒径和不同浓度SiO2粒子的玄武岩纤维及其复合材料的力学性能,同时研究了ZrO2和CeO2改性酚醛树脂所制备复合材料的力学性能,高温减重率及层剪强度剩余率。通过实验发现,使用浓度0.2wt%,粒径为350nm的SiO2粒子对玄武岩纤维进行表面涂覆,可以有效的改善玄武岩纤维的表面极性,增大纤维与树脂结合能力,并使复合材料的界面性能有较高的提升;而使用ZrO2和CeO2改性酚醛树脂制备出的复合材料只能具有与未改性玄武岩纤维/酚醛树脂复合材料持平的层剪性能,其高温层剪强度剩余率整体低于使用ZrO2和CeO2改性浸润剂所制备复合材料的高温层剪强度剩余率。但是用该两种改性树脂制备出的复合材料拥有所有实验中所制备复合材料中最优异的抗高温减重性能。

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 玄武岩纤维国内外研究进展
• 1.2.1 玄武岩纤维概述
• 1.2.2 玄武岩纤维制备及应用
• 1.2.3 玄武岩纤维复合材料研究现状
• 1.3 纤维表面改性技术的研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 实验材料和实验方法
• 2.1 实验原材料与仪器设备
• 2.1.1 实验原材料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 改性玄武岩纤维复合材料制备
• 2.3 玄武岩纤维涂层改性工艺
• 2.3.1 成膜剂的配制
• 2.3.2 浸润剂的配制
• 2.3.3 纳米粒子改性浸润剂的配制
• 2.3.4 纳米粒子改性成膜剂及酚醛树脂
• 2.3.5 纳米粒子的粒度检测
• 2.3.6 手动涂覆玄武岩纤维工艺
• 2.4 玄武岩纤维及其复合材料力学性能测试与分析
• 2.4.1 纤维表面能测试
• 2.4.2 纤维断裂强力测试
• 2.4.3 复合材料室温层间剪切性能测试
• 2.4.4 复合材料高温稳定性和残余层间剪切强度测试
• 2.4.5 玄武岩纤维表面形貌及复合材料层剪断面形貌分析
• 第3章 玄武岩纤维复合材料制备与涂层改性
• 3.1 玄武岩纤维复合材料制备
• 3.1.1 玄武岩纤维预制体制备工艺优化
• 3.1.2 热固性酚醛树脂固化工艺
• 3.1.3 玄武岩纤维及其复合材料力学性能
• 3.2 纳米粒子改性成膜剂对复合材料力学性能影响
• 3.2.1 纳米粒子改性成膜剂的配制
• 3.2.2 纳米粒子改性成膜剂粒度测试
• 3.2.3 改性成膜剂对玄武岩纤维复合材料室温层剪性能影响
• 3.3 纳米粒子改性浸润剂对复合材料力学性能影响
• 3.3.1 玄武岩纤维通用浸润剂对纤维及复合材料力学性能的影响
• 3.3.2 纳米粒子改性浸润剂对玄武岩纤维复合材料力学性能的影响
• 3.3.3 纳米粒子改性玄武岩纤维复合材料层剪破坏形貌分析
• 3.3.4 纳米粒子改性玄武岩纤维复合材料高温稳定性研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 纳米粒子对玄武岩纤维及复合材料力学性能影响
• 2 粒子对玄武岩纤维力学性能影响'>4.1 纳米SiO₂粒子对玄武岩纤维力学性能影响
• 2 粒子的分散与粒度检测'>4.1.1 纳米SiO₂粒子的分散与粒度检测
• 2 粒子尺寸对纤维力学性能影响'>4.1.2 纳米SiO₂粒子尺寸对纤维力学性能影响
• 2 粒子含量对玄武岩纤维力学性能影响'>4.1.3 纳米SiO₂粒子含量对玄武岩纤维力学性能影响
• 2 粒子对玄武岩纤维复合材料力学性能影响'>4.2 纳米SiO₂粒子对玄武岩纤维复合材料力学性能影响
• 2 粒子尺寸对复合材料力学性能影响'>4.2.1 纳米SiO₂粒子尺寸对复合材料力学性能影响
• 2 粒子尺寸对玄武岩纤维表面能影响'>4.2.2 纳米SiO₂粒子尺寸对玄武岩纤维表面能影响
• 2 粒子含量对玄武岩纤维复合材料力学性能影响'>4.2.3 纳米SiO₂粒子含量对玄武岩纤维复合材料力学性能影响
• 2 粒子改性玄武岩纤维便面能分析'>4.2.4 不同浓度 SiO₂粒子改性玄武岩纤维便面能分析
• 4.3 改性酚醛树脂基体对玄武岩纤维复合材料力学性能影响
• 2、CeO₂ 改性酚醛树脂对复合材料力学性能影响'>4.3.1 ZrO₂、CeO₂改性酚醛树脂对复合材料力学性能影响
• 4.3.2 玄武岩纤维/改性酚醛树脂基复合材料层剪破坏形貌分析
• 4.3.3 玄武岩纤维/改性酚醛树脂基复合材料高温稳定性实验
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢