基于碳纳米管界面改性的碳纤维复合材料抗γ辐射性能研究

为研究碳纳米管(CNTs)界面改性对碳纤维/环氧复合材料(CF/EP)抗辐照性能的影响,采用电泳沉积法将CNTs引入到CF/EP界面区域(CF-CNTs/EP)中,然后分别对CF/EP和CF-CNTs/EP进行γ射线辐照处理(γ-CF/EP和γ-CF-CNTs/EP),并对复合材料的力学性能、热学性能、耐疲劳性能和官能团变化等特性进行分析。结果表明:由于CNTs的存在,γ-CF-CNTs/EP的储能模量、玻璃化转变温度、弯曲强度和弯曲模量分别比γ-CF/EP高7. 8 GPa、4. 53℃、280 MPa和19. 2 GPa;γ-CF-CNTs/EP的耐疲劳性能优于γ-CF/EP; XPS测试发现γ-CF-CNTs/EP内部C-C键的含量急剧减少10. 88%,C-N键和C-O键的含量分别增加5. 97%和4. 44%,而γ-CF/EP无明显变化。结合断面形貌分析和裂纹扩展模型,讨论了CNTs增强复合材料抗γ射线辐射的微观结构和增强机制。以上结果证实,CNTs界面区域改性可以有效提升CF/EP的抗辐射性能。     

氧化石墨烯改性不同表面性质的碳纤维/环氧树脂复合材料的微观形貌与动态热力学性能

通过模压成型，采用氧化石墨烯(GO)对四种碳纤维(CCF300、T700、CCF800、CCM40J)织物/环氧树脂(CF/EP)复合材料进行改性，通过复合材料的微观形貌、动态热力学性能等研究了GO对四种不同表面性质的CF/EP复合材料的改性效果。研究表明，添加GO后，GO/EP对四种CF的浸润性均比EP明显提高，纤维与GO/EP间的界面黏接比与EP基体间的黏接明显改善；CF/EP复合材料的破坏主要发生在CF与EP的界面，而GO的存在使GO-CF/EP复合材料的破坏由CF与EP基体的界面向GO/EP区域过渡。CF表面的氧碳比和沟槽均显著影响复合材料的玻璃化转变温度(T_g)，具有最高表面氧碳比的GO-CCF300/EP复合材料表现出最高的T_g，但沟槽更丰富的CCM40J和CCF300碳纤维对CF/EP复合材料的T_g表现出更好的GO改性效果。      

预浸料的超薄化对碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸破坏行为的影响

采用自主研发的碳纤维（CF）宽展设备,将12K CF宽展预浸制备成0.02 mm和0.10 mm厚的CF/环氧树脂（EP）预浸料,利用模压工艺制成1 mm厚的单向层合板。利用万能试验机、声发射装置和高速照相机组成的集成系统测试其抗拉强度、加载过程中试样内部的损伤情况及断裂破坏时样品宏观形貌的变化。用SEM观测其拉伸断口形貌。分别用超景深显微镜、金相显微镜观测记录CF/EP复合材料预浸料和单向层合板中CF的排布状态以表征薄层化过程中CF和EP的分布状态对CF/EP复合材料拉伸性能的影响。结果表明:薄CF/EP复合材料预浸料中CF的排布更加均匀,制成的CF/EP复合材料单向层合板试样中层间树脂富集区的尺度明显小于厚CF/EP复合材料预浸料制成的试样,试样的抗拉强度提高了15%;薄CF/EP复合材料预浸料制成层合板试样的拉伸宏观断口形貌中分层劈裂现象减少,集束性增强,微观断口形貌中未发现横贯横截面的穿透裂纹。      

氧化石墨烯改性碳纤维/环氧树脂复合材料的湿热性能及微观形貌

采用湿法预浸技术和模压工艺制备了氧化石墨烯(GO)改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料,研究了GO在室温干态及湿热处理后对CF/EP复合材料动态热力学性能和层间剪切性能的影响,并通过微观形貌分析了复合材料的改性机制。结果表明,当GO添加量分别为0.5%和0.8%时,GO-CF/EP复合材料的玻璃化转变温度(T_g)得到明显提高,由CF/EP复合材料的184.4℃分别提高到197.7℃和199.5℃;GO-CF/EP复合材料经湿热处理后,GO-CF/EP复合材料的T_g的保持率比CF/EP略低。GO添加量分别为0.05%和0.1%时,GO-CF/EP复合材料的层间剪切强度由CF/EP复合材料的59.7 MPa分别提高到70.2 MPa和72.2 MPa;GO-CF/EP复合材料进行湿热处理后,GO添加量为0.05%的GO-CF/EP复合材料和GO添加量为0.1%的GO-CF/EP复合材料层间剪切强度较CF/EP复合材料高,但GO-CF/EP复合材料的湿热后层间剪切强度保持率均低于CF/EP复合材料。力学损耗分析表明,GO有效提高了CF与EP基体间的界面黏结作用。微观形貌分析表明,GO的存在可有效分散裂纹能量并使裂纹发生偏转,使GO-CF/EP复合材料抵抗裂纹扩展的能力提高。      

电泳沉积氧化石墨烯的碳纤维表面改性及其增强环氧树脂复合材料界面性能

采用超声辅助电泳沉积法,以异丙醇作为溶剂,在连续碳纤维(CF)表面沉积一层氧化石墨烯(GO),对CF表面进行改性。再经200℃高温处理来增强(GO)与CF之间的黏合性,从而增加CF/环氧树脂(EP)复合材料的界面结合强度。利用SEM和AFM对改性前后CF的表面形貌及微观结构变化进行了表征,通过XPS对改性前后CF表面官能团的变化进行了检测。结果表明,在CF表面沉积GO并经200℃处理后,有效地部分还原了GO(RGO),填补或桥联了CF表面缺陷,使改性后CF的拉伸强度提高了34.58%。同时,高温处理使RGO与CF之间生成牢固的化学键,从而提高了RGO与CF之间的结合强度,最终使RGO-CF/EP复合材料的界面剪切强度(IFSS)提高了69.9%。      

稀土Ce接枝碳纳米管-碳纤维多尺度增强体对环氧树脂基复合材料界面性能的影响

将马来酰亚胺官能化的多壁碳纳米管(CNTs)和碳纤维(CF)混合并通过CeCl₃处理,得到CNTs-CF多尺度增强体,采用FTIR、XPS、SEM对增强体的表面物理化学状态进行表征;以环氧树脂(EP)为基体,通过模压法制备CNTs-CF/EP复合材料,对其力学性能和断口形貌进行分析,探讨CNTs-CF多尺度增强体对CNTs-CF/EP复合材料界面性能的影响。结果表明:通过Ce的桥接作用,可以将改性后的CNTs化学接枝在CF表面,以同时解决CF与树脂基体间界面结合弱及CNTs不易分散的问题,有效改善了增强体与基体间的界面性能。因此CNTs-CF/EP复合材料的拉伸强度和杨氏模量较CF/EP复合材料分别提高了36.76%和71.57%;较CeCl₃改性CF(RECF)/EP复合材料分别提高了24.79%和52.17%。采用稀土Ce的化学接枝法成功制备出CNTs-CF多尺度增强体,为获得高级轻质树脂基复合材料提供了一种环境友好的新方法。      

碳纳米管-有机化蒙脱土多维纳米界面构筑及其对环氧树脂的增韧机制

分别采用混酸、环氧树脂（EP）和硅烷偶联剂对碳纳米管（CNTs）进行功能化处理,用十八烷基三甲基氯化铵对蒙脱土（MMT）进行有机化处理,将具有一维纳米尺度的CNTs和二维纳米尺度的有机化蒙脱土（OMMT）复合引入EP酸酐固化体系,通过溶液共混法制备纳米OMMT/EP、CNTs/EP、CNTs-OMMT/EP复合材料。使用简支梁冲击试验仪测试三种复合材料的冲击强度,并利用SEM观察纳米复合材料的冲击断面形貌。实验结果表明,当OMMT的含量为4wt%时,纳米OMMT/EP复合材料的冲击强度比未掺杂纳米组分的EP提高了16.7%。经硅烷偶联剂处理后的CNTs（Si-CNTs）能与EP基体形成良好界面,当Si-CNTs的含量为0.9wt%时,纳米Si-CNTs/EP复合材料冲击强度比未掺杂纳米组分的EP提高了84.0%。当OMMT的含量为4wt%、Si-CNTs的含量为0.9wt%时,纳米Si-CNTs-OMMT/EP复合材料的冲击强度比未掺杂纳米组分的EP提高了135.4%。管状CNTs和片层结构OMMT对EP的韧性具有协同提高作用。     

表面粗糙度和含氧官能团对炭纤维/环氧树脂界面黏结的贡献（英文）

炭纤维（CF）与基体之间的界面黏结对CF增强聚合物复合材料的性能至关重要。为了评估机械啮合和化学键合对炭纤维增强环氧树脂（EP）复合材料界面黏附性能的贡献，分离了炭纤维的表面粗糙度和含氧官能团以研究它们对界面黏附的影响。结果表明，氨水处理提高了表面粗糙度而不改变化学性能，而电化学处理在不改变表面粗糙度的情况下提高了化学性能。采用微滴法测试了CF/EP的界面剪切强度（IFSS），并通过线性拟合得到了IFSS与表面粗糙度和氧含量之间的函数关系。结果表明，在双官能和四官能环氧树脂体系中，化学键合对于增强界面黏附的贡献因子高于机械互锁。     

超薄预浸料对碳纤维/环氧树脂复合材料导电性能的影响

为了协同提高碳纤维/环氧树脂（CF/EP）复合材料的电性能和力学性能,采用碳纤维丝束展宽、浸润一体化的工艺方法,将12K CF展宽预浸制备成厚度分别为0.02 mm、0.03 mm、0.08 mm、0.10 mm的CF/EP预浸料及其单向层合板,分析测试了微观结构尺度对CF/EP复合材料层合板电阻率、电阻率随温度及在拉伸载荷作用下响应的影响机制。结果表明,随着CF/EP预浸料厚度从0.10 mm减小到0.02 mm,CF/EP复合材料单向层合板中大尺度树脂富集区所占比例明显减小,厚度方向的电阻率从151.3 Ω·cm减小到32.1 Ω·cm,导电性能提高了约5倍;随着温度升高,CF/EP复合材料层合板电阻率逐步下降,厚预浸料层合板沿厚度方向电阻率的下降速率高于薄预浸料层合板;在载荷作用下由CF/EP薄预浸料制成的CF/EP复合材料层合板的电阻率具有较高的稳定性,表明预浸料薄层化有助于提高CF/EP复合材料抵抗载荷作用的能力,从而获得较高的力学性能和电性能。实验结果为CF/EP复合材料结构-功能一体化设计提供了基础。      

CF-CNTs多尺度增强体的制备及CF-CNTs/环氧树脂复合材料力学性能

利用化学气相沉积(CVD)法在碳纤维(CF)表面生长碳纳米管(CNTs),制备了CF-CNTs多尺度增强体,增强体与环氧树脂(EP)结合得到CF-CNTs/EP复合材料。采用场发射扫描电镜(FESEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)等方法研究了不同CVD工艺参数对CF-CNTs多尺度增强体的影响,并研究了不同CVD时间对CFCNTs/EP复合材料力学性能的影响。结果表明:沉积温度为500℃、沉积时间为10min、反应压力为0.02 MPa时,制备得到的多尺度增强体性能最好。CF-CNTs多尺度增强体较未生长CNTs的碳纤维与环氧树脂的浸润性明显提高。在CVD时间为10min时,所得CF-CNTs/EP复合材料的界面剪切强度(IFSS)最大可提高90.6%,层间剪切强度(ILSS)最大可提高24.4%。同时,在制备环氧树脂复合材料过程中碳纤维的不加捻与加捻相比,其ILSS提高了11.3%。     

MWCNTs对环氧树脂及多尺度MWCNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响

通过对胺基化多壁碳纳米管（MWCNTs-NH₂）进行改性,得到改性MWCNTs悬浮液（MWCNTs-NH₂（M））。分别将羧基化MWCNTs （MWCNTs-COOH）和MWCNTs-NH₂（M）分散在环氧树脂（EP）中,采用热熔法制备了多尺度MWCNTs-碳纤维（CF）/EP复合材料。研究了MWCNTs对EP模量、韧性及EP与CF之间界面黏结强度的影响,并分析了MWCNTs与CF上浆剂的作用,评价了多尺度MWCNTs-CF/EP复合材料的力学性能。结果表明：官能团化的MWCNTs可对EP的模量和韧性起到更好的增强作用。MWCNTs接枝的-COOH或-NH₂可与CF上浆剂中的环氧基团发生化学反应,提高EP与CF之间的界面剪切强度。MWCNTs-NH₂（M）对多尺度MWCNTs-CF/EP复合材料力学性能的增强效果优于MWCNTs-COOH,当MWCNTs-NH₂（M）的含量为1wt%时,多尺度复合材料的0°压缩强度、90°压缩强度、弯曲强度、弯曲模量、冲击后压缩强度（CAI）分别提高了16.7%、16.3%、40.9%、30.3%、20.6%。     

耐湿热老化三元复合材料OMMT/EP/CF的制备研究

为提高碳纤维复合材料的耐湿热老化性能以及力学性能,通过有机化蒙脱土(OMMT)改性环氧树脂(EP)制备了有机化蒙脱土/环氧树脂/碳纤维(OMMT/CF/EP)复合材料,研究了OMMT的插层效果,OMMT加入质量分数和类型对环氧树脂气体阻隔性及对制备的OMMT/CF/EP复合材料的剪切性能、耐湿热老化性能等的影响.研究结...     

Grafting Low Contents of Branched Polyethylenimine onto Carbon Fibers to Effectively Improve Their Interfacial Shear Strength with an Epoxy Matrix

The mechanical properties of carbon fiber (CF) reinforced composites are greatly dependent on the interfacial strength between the CFs and matrix. To improve the interfacial adhesion of carbon fiber/epoxy composites, branched polyethylenimine (PEI) is grafted onto the CFs treated in a mixed acid at optimized process time. The chemical compositions and bonds of functionalized CFs are characterized by thermal gravimetric analysis, Fourier‐transform infrared, and X‐ray photoelectron spectroscopy. The surface structures and morphologies of various CFs are analyzed by Raman spectroscopy and scanning electron microscopy, respectively. Microbond test is adopted to evaluate the interfacial shear strength (IFSS) between the CFs and epoxy matrix. The results show that the CFs modified by low molecular weight PEI are better than those modified by high molecular weight PEI. The IFSS of PEI modified CFs can reach a maximum of 107.2 ± 14.3 MPa at a low functionalization degree compared with 78.1 ± 11.6 MPa of unmodified CFs. The branched structure and high density of active amine groups on the PEI chains are responsible for the improved interfacial strength.     

甲基丙烯酰氧基倍半硅氧烷改性碳纤维/聚芳基乙炔复合材料界面性能

利用微脱粘法、三点弯曲法、扫描电镜（SEM）、力调制模式原子力显微镜（AFM）和动态力学热分析（DMTA）研究了甲基丙烯酰氧基倍半硅氧烷（Methacryl-POSS）涂层改性前后的碳纤维增强的聚芳基乙炔（PAA）复合材料的界面性能。用Wilhelmy法研究了处理前后的碳纤维与PAA树脂的浸润性。结果表明: POSS涂层处理后的碳纤维表面粗糙度增大,与PAA树脂的浸润性提高;复合材料的界面剪切强度提高了36%,层间剪切强度提高了50%。DMTA图谱表明, POSS涂层改性后,复合材料的玻璃化转变温度提高了12℃,损耗因子降低了53%,表明复合材料的界面粘接性能得到大幅度的改善。      

RTM成型复合材料界面及其改性的研究

界面的好坏直接影响RTM成型复合材料的力学性能。本文研究了RTM成型复合材料不同层次界面的特点，形成机理，并采用冷等离子处理对RTM成型复合材料界面性能进行改性。结果表明，RTM成型复合材料不同层次界面性能是不同的，通过冷等离子体处理可以减少不同层次界面之间的差别，进而可以改善复合材料的力学性能。     

Measurement and analytical validation of interfacial bond strength of PAN-fiber-reinforced carbon matrix composites

Carbon/carbon composites are well suited to high-friction applications due to their excellent mechanical and thermal properties. Since interfacial shear strength is critical to composite performance, characterization of fiber/matrix interface is a crucial step in tailored design of composites. This article presents a hybrid experimental/analytical study to evaluate the interfacial shear strength (IFSS) of PAN-fiber-reinforced carbon matrix composites. Microstructure was studied by light and high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM). A series of push-out tests were conducted to examine the fiber/matrix debonding process. The residual fiber displacement was confirmed by scanning electron microcopy (SEM). The validity of the calculated IFSS value was demonstrated by a simplified analytical approach, where the components contributing to the measured displacement were analyzed considering the mechanics of the indentation. The method described in this article has been successfully used for determining the IFSS of PAN-fiber-reinforced carbon matrix composites.     

硫酸盐干湿交替对碳纤维增强环氧树脂-混凝土界面粘结性能的影响

为了研究硫酸盐腐蚀对碳纤维增强环氧树脂复合材料（CF/EP）-混凝土界面性能退化的影响。通过硫酸盐干湿交替加速腐蚀试验模拟硫酸盐环境,对硫酸盐腐蚀下CF/EP-混凝土界面粘结性能退化规律进行了研究。结果表明：硫酸盐干湿交替作用对CF/EP-混凝土界面的破坏形态影响较大;界面粘结性能（峰值剪应力、极限承载力和初始剪切刚度）随腐蚀时间呈先小幅增加后加速下降的趋势。在试验和已有界面理论的基础上,提出了考虑腐蚀时间的界面粘结-滑移模型,通过模型预测数据与试验数据的对比分析,该模型能够很好反映硫酸盐干湿交替作用下界面粘结性能退化规律。