PBO纤维表面处理及对复合材料力学性能的影响

论文摘要

PBO纤维是一种有机高分子纤维,但具有超高强度、超高模量、超高耐热性和阻燃性,可成为复合材料的理想增强体。但是PBO纤维表面活性低,与复合材料树脂基体间的粘合性差,导致复合材料力学性能较差,制约了其在复合材料中的实际应用。因此,有必要对PBO纤维表面进行改性,改善PBO纤维与树脂基体界面结合状况,从而有效提升PBO纤维增强树脂基复合材料的综合力学性能。本文在文献调研的基础上,开展了酸刻蚀处理、伽马射线辐照处理、等离子体处理和偶联剂处理以及组合处理等方法对PBO纤维进行了表面改性研究,重点考察了上述处理方法对PBO纤维表面形貌、本体结构、单丝强度、与聚合物基体相容性等的影响,并对PBO纤维表面改性方法进行了优化,最终确定了优化组合处理方法,即伽马射线辐照处理—PPA刻蚀处理—涂覆偶联剂YDH560处理工艺。本文进一步开展了PBO纤维增强环氧树脂复合材料制备工艺研究。利用树脂溶液浸渍PBO纤维湿法缠绕工艺制备了单向预浸料带,采用模压工艺制备了连续PBO纤维增强的环氧树脂复合材料。考察了组合表面处理工艺对PBO纤维增强环氧树脂复合材料制备工艺性的影响,确定了复合材料制备工艺参数。为考察组合表面处理方法对PBO纤维增强环氧树脂复合材料力学性能的影响规律,本文测试了表面改性前后单向PBO纤维增强环氧树脂复合材料的拉伸性能、层间剪切性能和压缩性能。实验结果表明,PBO纤维增强环氧树脂复合材料的单向拉伸失效模式为纤维/树脂基体界面剪切破坏;表面改性后,复合材料的拉伸强度下降了8%;复合材料短梁剪切试样的断口表明,PBO纤维增强环氧树脂复合材料呈现多层剪切破坏,表面改性后,复合材料层间剪切强度高达43MPa,提高了26%;PBO纤维增强环氧树脂复合材料单向板压缩失效主要呈45°剪切失效,表面改性后,复合材料的压缩强度达到168MPa,提高了17%。上述研究表明,采用组合表面处理方法,PBO纤维增强环氧树脂复合材料界面性能得到较大改善,复合材料的综合力学性能得到明显提升。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及研究意义
• 1.2 PBO纤维表面改性研究进展
• 1.2.1 PBO纤维简介
• 1.2.2 PBO纤维表面改性方法概述
• 1.3 PBO纤维复合材料
• 1.4 本论文主要研究内容
• 第二章 实验材料及实验方法
• 2.1 实验材料与仪器
• 2.1.1 实验原材料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 PBO纤维表面处理
• 2.2.1 PBO纤维预处理
• 2.2.2 PBO纤维表面处理方法
• 2.3 PBO纤维单丝性能表征方法
• 2.3.1 PBO纤维直径测量
• 2.3.2 PBO纤维单丝强度测定
• 2.3.3 PBO纤维表面形貌观察
• 2.3.4 PBO纤维与环氧树脂界面剪切强度测试
• 2.3.5 红外光谱分析
• 2.3.6 X射线衍射分析
• 2.3.7 表面接触角测试
• 2.4 PBO纤维/环氧复合材料单向板性能表征
• 2.4.1 PBO纤维/环氧复合材料层间剪切性能测试方法
• 2.4.2 PBO纤维/环氧复合材料拉伸性能测试方法
• 2.4.3 PBO纤维/环氧复合材料单向板压缩性能试验方法
• 2.4.4 PBO纤维/环氧复合材料断裂形貌分析
• 第三章 表面处理方法对PBO纤维的影响
• 3.1 PBO单丝性能研究
• 3.1.1 PBO纤维单丝截面积测定
• 3.1.2 纤维断裂基础理论
• 3.1.3 PBO纤维单丝强度测试结果
• 3.2 改性方法对PBO纤维单丝强度影响
• 3.2.1 PBO纤维单丝强度数据Weibull拟合
• 3.2.2 纤维分布模型检验
• 3.2.3 SEM测试结果分析
• 3.3 PBO纤维微观分析及表面分析
• 3.3.1 XRD测试分析
• 3.3.2 PBO单丝/环氧复合材料界面剪切性能
• 3.3.3 红外光谱分析
• 3.3.4 接触角测试
• 3.4 本章小结
• 第四章 PBO纤维增强环氧复合材料制备工艺
• 4.1 胶液配制
• 4.2 PBO纤维/环氧预浸料单向带制备工艺
• 4.3 PBO纤维/环氧复合材料单向板制备工艺
• 4.4 PBO纤维/环氧复合材料单向板试样制备
• 4.5 本章小结
• 第五章 PBO纤维/环氧复合材料力学性能
• 5.1 PBO纤维/环氧复合材料层间剪切性能
• 5.1.1 PBO纤维/环氧复合材料短梁剪切失效模式
• 5.1.2 PBO纤维/环氧复合材料短梁剪切载荷—位移曲线
• 5.1.3 PBO纤维/环氧复合材料短梁剪切强度
• 5.2 PBO纤维/环氧复合材料拉伸性能
• 5.2.1 PBO纤维/环氧复合材料纵向拉伸失效模式
• 5.2.2 PBO纤维/环氧复合材料单向板纵向拉伸载荷—位移曲线
• 5.2.3 PBO纤维/环氧复合材料单向板纵向拉伸强度与模量
• 5.3 PBO纤维/环氧复合材料压缩性能
• 5.3.1 PBO纤维压缩性能
• 5.3.2 PBO纤维/环氧复合材料压缩失效模式
• 5.3.3 PBO纤维/环氧复合材料压缩载荷—位移曲线
• 5.3.4 PBO纤维/环氧复合材料压缩强度
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录