PAN基碳纤维电化学表面改性及其复合材料界面性能研究

论文摘要

为了更好的发挥碳纤维在实际应用中作为增强体的作用,对碳纤维进行表面改性。通过碳纤维在不同参数下电化学处理的研究,揭示碳纤维电化学表面处理过程中的电化学改性机理和碳纤维复合材料界面增效机制,从而实现对纤维表面性能的优化控制,为制备高性能碳纤维复合材料提供理论依据本文采用具有不同氧化性的酸碱盐电解液（H2SO4溶液,Na2SO4溶液,NaOH溶液）对聚丙烯腈基碳纤维进行电化学恒流和恒电位阳极氧化处理。通过电化学线性伏安扫描对碳纤维阳极进行电化学特性分析。采用X射线光电子能谱,拉曼光谱和扫描电子显微镜对处理前后的碳纤维表面进行化学成分、表面精细结构、表面形貌等表征分析。通过碳纤维处理前后纤维表面浸润角的变化,结合纤维本体性能和碳纤维复合材料层间剪切强度分析,对不同处理参数处理的碳纤维复合材料的界面性能进行了评价。研究结果表明,采用同离子浓度的不同电解液和不同的处理方式对碳纤维表面进行电化学处理,碳纤维的表面性质不同,碳纤维复合材料的界面性能不同。酸溶液处理时存在强烈的氧化,缓和的刻蚀作用和脱水作用,纤维表面官能团有所增多,表面粗糙度有所增加;碱溶液中由于剧烈的水解反应而存在较弱的氧化和明显的气动刻蚀作用;而对盐溶液来说,存在电化学氧化反应,表面官能团增多,同时存在水解刻蚀作用,刻蚀程度介于酸溶液和碱溶液之间。从ILSS结果来看,碱溶液的处理效果要优于其它两种,所以,碳纤维的表面粗糙度是影响复合材料界面性能的重要因素。从电化学恒流处理和恒电位处理后的结果来看,不同的处理方式处理后纤维表面官能团增多,表面粗糙度增加,复合材料界面性能得到较大提高。恒压处理后,纤维表面物理结构及化学成变化相对大些。恒流处理后,碳纤维复合材料的力学性能更加优异。由于处理过程中纤维表面的电化学反应历程不同,恒电位处理时纤维表面电化学反应程度较大,但反应种类较少,而恒流处理时电化学反应种类则更加丰富,恒流处理对提高碳纤维复合材料界面性能起到更大的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 碳纤维的表面结构及性质
• 1.2.2 碳纤维表面电化学改性研究现状
• 1.2.3 碳纤维电化学表面改性机制研究现状
• 1.2.4 碳纤维树脂基复合材料界面增效机理研究现状
• 1.3 本课题主要研究内容
• 第2章 实验内容
• 2.1 实验材料及仪器
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 碳纤维电化学改性处理
• 2.2.1 碳纤维表面去涂层工艺
• 2.2.2 碳纤维电化学氧化处理
• 2.2.3 碳纤维电化学线性扫描测试
• 2.3 碳纤维电化学改性表面性能分析测试
• 2.3.1 碳纤维电化学处理前后表面浸润角表征分析
• 2.3.2 碳纤维表面化学成分分析
• 2.3.3 碳纤维表面精细结构分析
• 2.3.4 碳纤维电化学处理前后表面形貌分析
• 2.4 碳纤维增强树脂基复合材料性能测试
• 2.4.1 碳纤维复丝拉伸强度测试
• 2.4.2 碳纤维复合材料层间剪切强度测试
• 2.4.3 碳纤维复合材料断面形貌分析
• 第3章 碳纤维表面电化学改性机理研究
• 3.1 不同电解液电化学处理机制研究
• 3.1.1 不同电解液碳纤维电极电化学特性分析
• 3.1.2 不同电解液电化学处理碳纤维表面元素分析
• 3.1.3 不同电解液电化学处理纤维表面晶体结构分析
• 3.1.4 不同电解液电化学处理纤维表面形貌分析
• 3.2 不同处理方式电化学处理机制研究
• 3.2.1 不同处理方式碳纤维电极电化学特性分析
• 3.2.2 不同处理方式碳纤维表面元素分析
• 3.2.3 不同处理方式碳纤维表面晶体结构分析
• 3.2.4 不同处理方式碳纤维表面形貌分析
• 3.3 碳纤维表面电化学改性机制研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 碳纤维表面改性对纤维及其复合材料性能的影响
• 4.1 电化学改性对碳纤维本体性能的影响
• 4.1.1 不同电解液电化学改性对碳纤维本体性能的影响
• 4.1.2 不同电化学处理方式对纤维本体性能的影响
• 4.2 电化学改性对碳纤维复合材料层间剪切强度的影响
• 4.2.1 不同电解液电化学改性对层间剪切强度的影响
• 4.2.2 不同电化学处理方式对层间剪切强度的影响
• 4.3 碳纤维复合材料界面增效机制研究
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢