氨气处理碳纤维 第II报 碳纤维表面和复合材料的性能

常压下,使碳纤维通过以氨气为气体介质的600℃热反应炉,反应停留时间为30s。采用三点短梁法和界面评价装置研究处理前后复合材料的层间剪切强度(ILSS)和界面剪切强度(IFSS),经氨气处理后二者分别提高了13.2%和32.1%。接触角测试结果表明:处理后碳纤维与水和环氧树脂的浸润性得到很大改善。采用扫描电子显微镜(SEM)研究处理前后碳纤维表面和复合材料断裂面形貌的变化,发现氨气处理对碳纤维表面形貌没有影响。力学性能测试数据表明,氨气处理不影响碳纤维的强度。     

热解沉积结合PAMAM接枝改性碳纤维表面

采用热解沉积结合聚酰胺-胺型树枝状高分子(PAMAM)接枝的改性方式对碳纤维进行表面处理,对比了碳纤维原丝(CFs)、只经热解沉积处理碳纤维(PD-CFs)和沉积结合接枝处理碳纤维(PD-PG-CFs)的表面形貌、表面元素组成和质量分数、与极性液体和非极性液体的接触角、表面自由能的变化;制备了不同处理条件下碳纤维/环氧微复合材料,与未处理的碳纤维原丝相比,经热解沉积处理的碳纤维/环氧复合材料的界面剪切强度(IFSS)提高了26.87%,而经沉积结合PAMAM接枝处理碳纤维/环氧复合材料的IFSS则提高了38.81%。通过纳米压痕测试定量的表征了复合材料中碳纤维、热解碳层和树脂基体3者的模量,结果表明,热解碳层的模量介于碳纤维和树脂之间,它所起到的过渡层效应是复合材料界面性能得到改善的重要原因。     

芳纶纤维增强树脂基复合材料的界面粘结性能研究

为了改善芳纶纤维增强树脂基复合材料的界面粘结性能,从树脂基体入手,依据相似相容原理和芳纶的结构特点,合成出新型热固性树脂(AFR–T)用作芳纶复合材料的基体,以未经表面处理的芳纶作增强材料,采用热压成型法制备了AFR–T/芳纶纤维复合材料,并通过测定溶度参数、接触角、线膨胀系数、层间剪切强度(ILSS)和横向拉伸强度等方法研究了复合材料的界面粘结性能。结果表明,AFR–T树脂浇注体与芳纶的溶度参数相近,AFR–T树脂溶液在芳纶纸表面的接触角为36.9°,小于环氧树脂(EP)溶液与芳纶纸的接触角(53.2°),说明AFR–T树脂对芳纶的浸润性优于EP;AFR–T/芳纶纤维复合材料的ILSS和横向拉伸强度为73.0 MPa和25.3 MPa,分别比EP/芳纶纤维复合材料提高了25.9%和32.5%,这表明AFR–T树脂与芳纶纤维之间的浸润性和界面粘结性能较好。     

潜伏型上浆剂对CF与MAPP树脂界面作用的影响

本文制备了三种不同潜伏型交联剂含量的上浆剂,DH1.5%、DH3.0%和DH6.0%,通过处理上浆提高碳纤维(CF)与马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)树脂之间的界面作用。利用微脱粘实验表征复合材料的界面剪切强度(IFSS),并利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)表征界面增强作用。结果表明:随着上浆剂中潜伏型交联剂含量的增加,复合材料的IFSS值也随之增加,当使用DH6.0%处理CF时,IFSS值达到7.42 MPa,相较于不做处理的CF/MAPP复合材料提高了204.1%。从FTIR和SEM的结果可知界面性能的提高是由于潜伏型交联剂会在复合材料界面处与CF、MAPP发生化学键合作用。     

CF/纳米SiO_2改性树脂复合材料界面性能研究

本文以纳米SiO2改性树脂作为树脂基体,以连续碳纤维作为增强体制备复合材料,研究了纳米SiO2掺入树脂中百分含量对树脂基体与增强体之间的界面性能的影响。通过对树脂基体与增强体纤维浸润性、微脱粘、层间剪切强度和扫描电子显微镜,对复合材料界面性能测试和表征。结果表明,随着纳米SiO2含量的增加,常温下,基体树脂和增强体纤维浸润性能下降,单丝纤维与树脂微球的界面剪切强度和复合材料单向板层间剪切强度在某一含量范围均有所提高。     

含碳纳米管上浆剂上浆改性碳纤维及其界面研究

碳纤维(CF)是一种高强度、高模量的高性能纤维,被广泛应用于复合材料中,但是纤维表面的活性官能团含量低,与基体之间的界面结合性能较差。本文利用含氨基化碳纳米管(NH_2-CNTs)上浆剂对光威GQ4922/12K型碳纤维表面进行改性,改善碳纤维与环氧树脂之间的界面结合性能。通过傅里叶红外光谱、扫描电镜、X射线光电子能谱、接触角和微脱粘对改性后的纤维表面组成、表面形貌、表面自由能和界面剪切强度进行分析,发现NH_2-CNTs可成功接枝到碳纤维表面,改性后纤维表面的氧(氮)元素含量增加,与水接触角从67.1°降低到50.5°,表面自由能从32.2 mN/m增加到了41.1 mN/m;界面剪切强度在氨基化碳纳米管质量浓度为0.6%时达到最大,相比未改性纤维从62.3 MPa提高到76.8 MPa,提高了23.3%。结果表明通过在上浆剂中引入氨基化碳纳米管,可以增加碳纤维表面活性,提高碳纤维与基体树脂的界面结合性能。     

粗糙度对碳纤维/聚芳基乙炔复合材料界面性能的影响

采用二氧化碳超临界(scCO2)处理碳纤维(CF)表面的方法,研究了粗糙度对碳纤维/聚芳基乙炔(PAA)树脂复合材料界面性能的影响.处理前后的碳纤维通过XPS,AFM和表面能测量进行了表征.CF/PAA复合材料的界面力学性能通过层间剪切强度测试(ILSS)与断口形貌分析进行了评价.结果表明,scCO2处理前后碳纤维表面的化学组成基本上没有变化.随着碳纤维表面粗糙度的增加,CF/PAA复合材料的界面力学性能先增加后减小.其中粗糙度范围为30～45 nm的样品有最高的ILSS值,43.36MPa,比未处理的样品提高了44%.对复合材料的ILSS提高起主要作用的因素是碳纤维与PAA树脂的界面齿合作用.而齿合作用程度的不同主要是由于不同粗糙度而引起的碳纤维表面物理状态的不同.     

两种T700碳纤维表面特性及其复合材料界面性能

分别用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)以及接触角测量仪分析了国产MT700C碳纤维和东丽T700SC两种碳纤维的表面微结构、表面化学特性以及与树脂的浸润性,并对其环氧树脂复合材料MT700C/603和T700SC/603在干态和湿态下的界面性能进行了研究。结果表明,MT700C碳纤维表面O/C比和活性碳原子含量比T700SC碳纤维高,并且表面具有明显的沟槽,因此MT700C与树脂的浸润性好于T700SC碳纤维,可以与603树脂形成具有良好界面粘结的MT700C/603复合材料。在室温干态条件下,MT700C/603复合材料的层间剪切强度(ILSS)大于T700SC/603复合材料。但是在湿热老化环境中,T700SC/603复合材料最终的剪切强度保留率大于MT700C/603复合材料。     

芳纶表面改性技术进展(三)——表面改性分析表征方法

对芳纶表面改性的分析表征方法进行了概述。主要介绍了傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、X-射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)5种定性分析方法,以及测量比表面积、接触角、浸润速率、界面剪切强度(IFSS)、层间剪切强度(ILSS)、浸胶丝强度等6种定量分析方法。同时介绍了复合材料宏观试验方法、微复合材料试验方法、复合材料原位试验方法3种分析技术。最后指出,综合运用各种分析技术是目前解决问题的现实方法。     

碳纤维增强树脂复合材料界面效应的研究

在一立方厘米的碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)中,碳纤维(CF)与树脂的接触界面高达4000平方厘米左右。两相界面间的粘结程度是决定层问剪切强度(ILSS)的主要因素。CF经表面处理后,可改善两相间的粘接,从而使ILSS得到显著提高。用扫描电镜研究剪切断面已证实了这点。     

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%。     

碳纤维/TDE85环氧树脂复合材料界面性能的研究

高性能碳纤维增强树脂基复合材料因其轻质、高强、高模量等优势,已在航空航天等领域广泛应用,增强体与树脂基体之间的界面结合状况对其性能有很大影响,因此对界面进行研究具有非常重要的意义。本文分别研究了T800、CCF300、T300三种碳纤维增强TDE85环氧树脂复合材料的界面性能。运用XPS对碳纤维和单纤维复合材料试样的表面化学成分进行了表征,XPS结果表明,与树脂复合后,碳纤维表面官能团的含量、结构及化学环境都发生了明显的变化,界面产生了较强的物理和化学作用。利用DCT21测量仪测试碳纤维与环氧树脂TDE85的接触角,分析了纤维与树脂的润湿性,实验结果显示纤维与树脂的润湿性良好。在此基础上,通过微滴脱粘方法测量纤维与树脂的界面剪切强度,以表征其界面粘结性能。微滴脱粘的实验结果显示,T800/TDE85体系的IFSS值高达79.7MPa,比T300/TDE85、CCF30/TDE850体系分别高21%、24%。     

高能辐照对国产芳纶纤维/环氧复合材料界面性能影响

芳纶纤维因其表面惰性、光滑使其与树脂浸润性差,界面结合强度低。以环氧氯丙烷为介质1,采用60Coγ-射线辐照方法对国产芳纶纤维进行表面改性,以界面剪切强度（IFSS）和层间剪切强度（ILSS）表征芳纶/环氧复合材料界面结合性能。结果表明在400kGy辐照剂量下改性效果最好;经高能辐照处理的芳纶纤维表面能升高,并失去了原有的光滑表面,且纤维表面氧含量有大幅度提高,使得纤维表面活性增大。     

接枝改性纳米SiO_2粒子增强CF与聚酰亚胺树脂界面性能研究

采用温和简单的浸渍法制备功能化改性二氧化硅(SiO_2),并在碳纤维表面引入了一层功能化改性SiO_2涂层,提高了碳纤维表面的润湿性和活性,同时增强了碳纤维/聚酰亚胺复合材料的界面。傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)证实了双-[γ-(三乙氧基硅基)丙基]四硫化物成功地将SiO_2功能化。扫描电子显微镜(SEM)结果表明,在添加量为1. 0%时,在碳纤维表面形成了均匀的涂层。在此条件下,与仅浸渍聚酰亚胺树脂相比,层间剪切强度(ILSS)和界面剪切强度(IFSS)分别提高了26. 37%和38. 27%。     

微脱黏法在碳纤维/环氧树脂界面性能评价中的应用

利用微脱黏法测定碳纤维/环氧树脂复合材料的界面剪切强度,并分析了造成测试结果分散的影响因素.结果表明:在脱黏过程中,最大脱黏力随碳纤维埋人环氧树脂内长度的增加而线性递增,当埋人长度超过一定值后最大脱黏力趋于稳定:碳纤维与环氧树脂间的接触角对复合材料界面剪切强度有一定影响,接触角越大,界面剪切强度越高;测试结果的分散性与树脂微球的半月板区域、钳口区等因素有关;未经表面处理的碳纤维增强环氧树脂复合材料的界面剪切强度仪为39.4 MPa,低于处理后的复合材料(60.6 MPa).     

共辐照接枝处理芳纶纤维F3A表面

以环氧氯丙烷为接枝剂,通过高能射线共辐照法对国产芳纶纤维(AFs)进行表面处理,对比了辐照前后芳纶表面形貌、动态接触角、表面自由能及其本体结晶情况变化。用不同辐照剂量下处理的纤维(IAFs-200和IAFs-400)制备了芳纶/环氧(IAFs/ER)复合材料,与未处理纤维相比,共辐照处理的芳纶增强复合材料的界面剪切强度(IFSS)和层间剪切强度(ILSS)分别提高了51.56%和25.79%。辐照处理后纤维表面活性的稳定性良好。     

碳纤维表面处理对碳纤维/聚丙烯复合材料界面结合性能的影响

研究了电化学氧化、环氧上浆处理对碳纤维/聚丙烯(CF/PP)复合材料界面结合性能的影响,首先通过AFM、XPS等测试不同碳纤维的表面形貌和化学性质,然后借助微球脱粘实验考察对比不同CF/PP的界面剪切强度(IFSS)。结果显示高温碳化后的碳纤维表面呈惰性,复合材料IFSS仅有3.76 MPa;经过电化学氧化处理,表面粗糙度增大,羟基和羧基基团增多,IFSS增加到4.85 MPa;上浆处理后,表面引入活性的环氧基团,IFSS进一步增加到5.51 MPa,同时界面均匀性也有所改善。根据结果分析,碳纤维表面性质改变引起的界面区域机械锁合、范德华力以及分子链缠结作用增加是界面性能提升的主要原因。但与相容剂相比,传统碳纤维表面处理对CF/PP界面改善效果相对较弱,开发更加有效的改性方法十分必要。     

PA66/GF微复合材料的制备与界面性能

采用不同涂层含量的玻璃纤维(GF)制备了GF增强尼龙(PA)66(PA66/GF)微复合材料.对不同涂层含量的纤维表面形貌分别进行了扫描电子显微分析和原子力显微分析,研究了涂层含量、纤维表面形貌与微复合材料界面剪切强度(IFSS)之间的关系.结果表明,当涂层质量分数为0.131%时,纤维宏观表面均一,微观区域表面粗糙,微复合材料的IFSS最大.在较低温度下,提高温度及水溶液的存在会破坏GF与树脂基体之间的结合;在较高温度下,随着老化时间的增长,GF涂层发生分解,破坏了涂层的结构,使得纤维与树脂基体结合变差,导致IFSS迅速降低.     

等离子体改性技术在碳纤维/PEK-C复合材料中的应用研究

利用低温氧等离子体处理技术对碳纤维进行表面改性,采用X射线光电子能谱、原子力显微镜等手段对碳纤维的表面性质进行表征,考察了等离子体功率和处理时间对碳纤维/PEK-C树脂基复合材料的界面黏结性能和力学性能的影响。结果表明,等离子体处理能够增加碳纤维表面的活性含氧基团含量和粗糙度,复合材料的界面黏结性能得到明显改善。在应力作用下,复合材料的破坏模式由未处理的界面脱黏破坏转变为等离子体处理后树脂基体的破坏。碳纤维在200 W的等离子体功率下处理12.5 min时,复合材料的层间剪切强度(ILSS)和弯曲强度分别达到最大值94.12MPa和1316.76 MPa。     

碳纤维及其复合材料性能测试方法和评价指标

从宏观和微观两个角度综述了碳纤维及其复合材料性能的常用测试方法。表明浸润性是表征树脂浸入纤维的重要参数,接触角、表面能、粘附功是表征浸润性常用的指标;纤维表面性能如粗糙度、化学特性等都影响着复合材料界面粘结性能,常用SEM、AFM、XPS等手段测试;复合材料界面结合强度的大小反应了复合材料力学性能的好坏。