碳纳米材料表面改性碳纤维及在环氧树脂中的应用

以N,N-二甲基甲酰胺为溶剂,通过超声的方法分别制备含多壁碳纳米管(MWCNTs)或石墨烯纳米片(GnP)的碳纳米材料表面改性剂,采用浸渍法对预处理碳纤维(CF)(去浆CF)进行改性使碳纳米材料均匀涂覆在纤维表面上,然后采用手糊成型及热压成型工艺制备环氧树脂(EP)/改性CF复合材料,利用扫描电子显微镜和电子万能试验机分析碳纳米材料表面改性剂制备条件对CF表面形貌、复丝拉伸性能的影响,在此基础上,选择各自的最佳表面改性剂制备条件,对比了含MWCNTs或GnP的表面改性剂改性CF对复合材料力学性能的影响。结果表明,碳纳米材料在表面改性剂中的分散状态直接影响CF表面碳纳米材料分布的均匀性和复合材料的性能。超声时间为2h的含MWCNTs表面改性剂和GnP质量分数为0.5%的含GnP表面改性剂对CF的改性效果较好,相应复丝的拉伸强度与去浆CF复丝相比分别提高了59.4%和70.2%,而相应复合材料的弯曲强度相对于EP/去浆CF复合材料分别提高了11.2%和41.1%,层间剪切强度分别提高了35.8%和71.3%。     

γ-射线辐照对碳纤维及其复合材料力学陛能的影响

以^60Co γ-射线为辐照源对碳纤维（CF）表面进行处理，利用扫描电子显微镜（SEM）观察经辐照处理后的碳纤维单丝表面及其与环氧树脂制备的复合材料试样的层间剪切断付；通过层间剪切强度比较了吸收剂量对其复合材料层间剪切强度（ILSS）的影响，并根据GB/T 3362—1982标准比较了辐照前后碳纤维复照拉伸强度的变化。结果表明：辐照处理后的碳纤维增强环氧树脂复合材料的界面明显得到改善，在一定的吸收剂量范围内能够有效地提高复合材料的ILSS，但是过大的辐照剂量和接枝率不利于复合材料的界面改性；当辐照剂量小于250kGy时，碳纤维的复丝拉伸强度有所提高。     

γ-射线辐照对碳纤维及其复合材料力学性能的影响

以60Coγ-射线为辐照源对碳纤维(CF)表面进行处理,利用扫描电子显微镜(SEM)观察经辐照处理后的碳纤维单丝表面及其与环氧树脂制备的复合材料试样的层间剪切断口;通过层间剪切强度比较了吸收剂量对其复合材料层间剪切强度(ILSS)的影响,并根据GB/T3362—1982标准比较了辐照前后碳纤维复丝拉伸强度的变化。结果表明:辐照处理后的碳纤维增强环氧树脂复合材料的界面明显得到改善,在一定的吸收剂量范围内能够有效地提高复合材料的ILSS,但是过大的辐照剂量和接枝率不利于复合材料的界面改性;当辐照剂量小于250kGy时,碳纤维的复丝拉伸强度有所提高。     

酸化石墨烯改性环氧树脂及其碳纤维复合材料力学性能研究

针对石墨烯在复合材料增强增韧上的应用,对石墨烯进行了酸化处理,采用超声分散方法制备酸化石墨烯/环氧树脂(EP)浇注体,并在此基础上制备了酸化石墨烯/碳纤维(CF)/环氧树脂(EP)复合材料。分别利用红外光谱和透射电镜表征了酸化石墨烯表面结构和微观形貌,利用拉伸、弯曲、冲击等机械测试手段评价了酸化石墨烯改性EP和CF-EP的力学性能,并利用扫描电镜对复合材料拉伸断面形貌进行观察。试验结果表明:石墨烯酸化处理后,成功在表面引入了羟基、羧基等极性基团;酸化石墨烯可对EP和CF/EP进行有效增强增韧,当其添加量为0.2wt%时,EP拉伸强度和冲击强度分别提高了23.3%和109.8%,CF/EP拉伸强度、弯曲强度分别提高了6.0%和10.6%,当酸化石墨烯添加量为0.5wt%时,CF/EP复合材料层间剪切强度提高了7.4%。微观形貌分析表明,酸化石墨烯对CF/EP增强改性主要是通过对EP进行增强增韧,同时提高CF和EP之间的界面性能来实现的。     

含碳纳米管上浆剂改性碳纤维及其复合材料的研究

利用上浆法和含多壁碳纳米管(MWCNT)的上浆剂对碳纤维(CF)进行表面改性,采用手糊成型和热压成型工艺制备CF复合材料,借助扫描电子显微镜(SEM)和电子万能试验机研究MWCNT对CF表面形貌及复合材料力学性能的影响。结果表明,MWCNT在上浆剂中的分散状态会直接影响MWCNT在CF表面分布的均匀性、对CF的改性效果及CF复合材料的力学性能。质量分数为0. 5%MWCNT上浆剂对CF的改性效果较好,经0. 5%MWCNT上浆剂改性CF复丝的拉伸强度与去浆CF相比提高了70. 8%,改性CF复合材料的弯曲强度和层间剪切强度与去浆CF复合材料相比分别提高了42. 8%和72. 9%。     

碳纤维在不同电解质体系下的电化学表面改性

使用电化学氧化法对PAN基碳纤维进行表面改性,通过扫描电子显微镜（SEM）、Raman光谱和X射线光电子能谱仪（XPS）表征了碳纤维表面物理化学结构,同时结合力学性能分析,评价了碳酸氢铵、硫酸铵和复合铵盐溶液3种电解质体系的改性效果。实验结果表明,碳酸氢铵溶液下的电化学改性有利于界面粘结强度的提高,而硫酸铵溶液下的电化学改性有利于降低抗拉伸强度的损失,当采用复合溶液改性时,则可以同时提高碳纤维的抗拉伸强度和其复合材料的抗层间剪切强度。     

POSS/GO复合接枝碳纤维/环氧树脂复合材料性能研究

在碳纤维表面逐层接枝多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）和氧化石墨烯（GO）后,将其用于增强环氧树脂（CF/EP）制得复合材料,采用扫描电子显微镜、接触角测试和X射线光电子能谱等研究了POSS和GO复合接枝碳纤维对CF/EP复合材料力学性能的影响。结果表明,POSS和GO可以显著提高碳纤维的表面活性和比表面积,改善树脂与碳纤维的浸润性、反应性和机械啮合作用,从而提高复合材料的界面性能和力学强度。相比未改性碳纤维复合材料,POSS/GO复合接枝改性碳纤维复合材料的层间剪切强度（ILSS）提高了98.3%,弯曲强度提高了95.7%。     

低温等离子体对ＰＢＯ纤维表面改性的研究

 为提高ＰＢＯ纤维／环氧树脂复合材料的剪切强度,采用低温等离子体结合涂层技术对聚对苯撑苯并双唑（ＰＢＯ）纤维进行表面改性,分别用ＳＥＭ、ＩＲ对等离子体处理前后纤维表面形态、化学结构进行了表征,通过复合材料层间剪切强度测试,研究不同处理方式对复合材料层间剪切强度的影响。结果表明,等离子体处理后纤维表面粗糙度增加,极性增强。经低温等离子体结合涂层技术处理后,ＰＢＯ纤维／环氧树脂复合材料的层间剪切强度得到显著提高,较未处理样品提高了３９％。     

F-12纤维表面处理对复合材料壳体纤维强度转化率的影响

对F-12纤维表面进行聚合物涂层改性，通过NOL环复合材料剪切强度测试，研究不同浓度的聚合物表面处理液对复合材料层间剪切强度的影响．结果表明：F-12纤维表面经TDE-85／DDM体系处理后，复合材料层间剪切强度均高于未表面处理的纤维；当刚性涂层液质量分数为5％时，层间剪切强度最高，比未表面处理的纤维高50％左右．φ150mm容器爆破试验结果表明，F-12纤维表面经涂层液处理后，复合材料壳体纤维强度转化率平均提高2．3％，容器特性系数平均提高12．5％．     

CE/EP/CF复合材料的湿热性能研究

采用溶液预浸渍法分别制备了两种碳纤维(CF)增强环氧树脂(EP)改性氰酸酯树脂(CE)(CE/EP/CF)复合材料,研究了该复合材料的吸湿行为及湿热环境对其力学性能和微观结构的影响。结果表明,CE/EP基体具有比EP更小的吸湿能力;湿热环境对CE/EP/CF复合材料的纵向拉伸强度影响不大,但对其层间剪切强度的影响较为显著。     

粘胶基碳纤维连续式电化学氧化表面处理(Ⅱ)碳纤维增强复合材料的界面

本文用短支梁三点弯曲法及Fragment法测定了连续式电氧化处理粘胶基碳纤维与酚醛树脂及环氧树脂复合材料界面粘合性 ,并用SEM观察了其界面的形貌。结果表明 :在本试验范围内经电化学氧化处理可以使粘胶基碳纤维 /酚醛树脂复合材料界面的粘合强度提高25 % ,而粘胶基碳纤维 /环氧树脂复合材料界面的粘合强度可提高100 %。这可能是由于环氧树脂可与碳纤维表面的官能团形成化学键的原因。     

后处理温度对EP/CF复合材料拉伸性能影响

采用模压成型工艺和拉挤工艺制备了加捻碳纤维增强环氧树脂(EP/CF)复合材料,利用微机控制电液伺服万能试验机和扫描电子显微镜研究了不同后处理温度对EP/CF复合材料的拉伸性能和断面微观形貌的影响。研究表明,相对于高温后处理下的EP/CF复合材料,室温后处理下的EP/CF复合材料的拉伸强度较优,其拉伸强度接近890 MPa;而随着后处理温度的升高,EP/CF复合材料的截面和表面显微硬度值呈先上升后下降趋势,当后处理温度为150℃时,其硬度值最优。随着后处理温度的上升,样品的断面形态由撕拉态变为剪切状态,整个断面转变为脆性断面,EP与CF之间的界面变差。较优后处理工艺为低温后处理;同时,常温固化剂下的EP和CF体系选择后处理工艺优化时,后固化温度应接近固化体系温度进行优化处理。     

热处理对EP/CF及EP/CF/GF复合材料力学性能的影响

采用真空辅助树脂转移模塑（VARTM）技术制备了环氧树脂/碳纤维（EP/CF）和环氧树脂/碳纤维/玻璃纤维毡（EP/CF/GF）复合材料。测试了两种纤维铺层方式中树脂流动距离的平方与流动时间的关系,对两种铺层纤维体系的渗透率进行了研究对比;将两种复合材料进行高温处理,并且对其高温处理前后的力学性能进行分析;利用扫描电子显微镜（SEM）观察了复合材料的拉伸断口形貌。结果表明,EP/CF/GF中GF毡的松散结构使树脂更易流动;高温热处理造成了EP/CF弹性模量和拉伸应变的降低,其中弹性模量降低了9.97 %、拉伸应变降低了11.36 %,但对EP/CF/GF的影响较小;GF毡的加入造成了2种复合材料弯曲性能的下降;未经处理的复合材料断口表面光滑,而热处理后的复合材料断口表面粗糙且有大量基体附着。     

体育器材用CFRPA6复合材料的制备及其性能

采用碳纤维(CF)改性聚酰胺(PA)6,从而获得PA 6/CF复合材料。结果表明:CF被浓硝酸氧化后,表面会引入碳氮、碳氧等极性基团,增加了PA 6与CF的界面反应活性;CF经浓硝酸处理后表面有许多沟槽出现,增大的表面积对PA 6与CF间机械锁合有利;随着浓硝酸处理CF时间的延长,复合材料的悬臂梁缺口冲击强度略有提高,拉伸强度提高较大;CF被过度氧化时,复合材料的缺口冲击强度、拉伸强度均降低;经浓硝酸氧化处理后,增强了CF界面黏结效果,CF被PA 6紧密包覆,断裂时两者有黏结现象发生;未经浓硝酸处理的样条在纤维拔出后会留下大量空洞,经浓硝酸处理后CF表面极性基团增加,提高了CF与基体树脂的黏结强度。     

Improving interfacial compatibility by a micro–nano synergetic structure for high-performance epoxy composites

A multiscale functional filler of micro–nano synergetic structure was successfully prepared via in-situ growth of silica (SiO₂) on biomimetic dopamine modified carbon fiber (CF) surface. The CF-SiO₂ hybrid as a reinforcement possessed lubricating and reinforcing effect to enhance tribological performance, thermal stability and thermomechanical property of epoxy (EP) composites. The micro–nano synergetic structure was of great importance for ameliorating the compatibility and interfacial adhesion between CF and EP matrix, which was conductive to transferring stress from matrix to fiber and alleviating stress concentration. It was concluded that the friction coefficient and wear rate of EP/CF-SiO₂ were 0.382 and 1.12 × 10⁻⁵ mm³/N·m, that is, a decline of 58% and 2.5 times, respectively, compared to EP/CF. The CF-SiO₂ hybrid exhibited excellent friction-reducing and anti-wear performance.     

高温空气氧化对炭纤维力学性能的影响

讨论了炭纤维瞬时高温空气氧化对炭纤维力学性能的影响，特别是对抗拉强度的影响。结果表明在合适的空气氧化条件下，空气氧化表面处理能提高炭纤维的抗拉强度，但是其操作范围很小，不易稳定。     

空气氧化法对CFRP力学性能的影响

讨论了炭纤维经瞬时高温空气氧化法表面处理后，炭纤维增强树脂基复合材料的力学性能。特别是层间剪切强度的变化情况。结果表明瞬时高温空气氧化法表面处理能提高ＣＦＲＰ的界面粘结强度，其ＩＬＳＳ随空气氧化温度提高而提高。虽然ＩＬＳＳ也能提高到９０ＭＰａ以上，但同时增加了复合材料的脆性炭纤维抗位强度也会严重下降。     

Improved interfacial adhesion in carbon fiber/epoxy composites through a waterborne epoxy resin sizing agent

A series of self‐emulsified waterborne epoxy resin (WEP) emulsions were used as surface sizing for carbon fibers (CFs) to improve the interfacial adhesion between the CF and epoxy matrix. In this work, the hydrogenated bisphenol‐A epoxy resin (HBPAE) was modified by polyethylene glycol (PEG) with molecular weights of 400, 800, 1000, 1500, 2000, 4000, and 6000 g/mol. The properties of the WEP emulsion were examined by Fourier transform infrared spectroscopy, dynamic light scattering, and transmission electron microscopy. The surface characteristics of sized CFs were evaluated using scanning electron microscopy, atomic force microscopy, and X‐ray photoelectron spectroscopy. Afterwards, CF/EP composites were prepared and their fracture surface and interlaminar shear strength (ILSS) were examined. The results indicated that PEG2000 modified HBPAE sizing had the optimum emulsion stability and film‐forming ability. Meanwhile, the results also demonstrated that a continuous and uniform sizing layer was formed on the surface of CFs and the surface sizing was excellent in improving the chemical activity of CFs. Compared with unsized CFs, the O1s/C1s composition ratio was observed to increase from 11.51% to 33.17% and the ILSS of CF/EP composites increased from 81.2 to 89.7 MPa, exhibiting better mechanical property than that of commercial Takemoto S64 sized CFs. © 2017 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci. 2017 , 134, 44757.