国产T800级炭纤维表面特性及其复合材料微观界面性能

采用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等测试方法表征了两种国产上浆/去浆T800级炭纤维的表面特性,并通过单丝断裂实验测试了单丝复合体系微观界面剪切强度(IFSS),在此基础上研究了炭纤维表面特性对单丝复合体系微观界面性能及其耐湿热性能的影响。结果表明:去浆后炭纤维表面含氧活性官能团含量降低,粗糙度增加,与基体树脂的界面结合强度增大;湿热环境对复合材料的微观界面性能影响显著,尤其是破坏了纤维/基体间的化学键合作用,但去湿后部分界面性能可恢复。     

纳米SiO2改性炭纤维乳液上浆剂的性能评价

采用纳米SiO₂改性环氧树脂乳液上浆剂和未改性乳液上浆剂对聚丙烯腈(PAN)基炭纤维进行表面上浆。通过静置沉淀法和光学显微镜评价了两种乳液的稳定性。利用扫描电子显微镜(SEM)、 X射线能谱仪(EDS)、 原子力显微镜(AFM)和动态接触角测试仪(DCAA)研究了未上浆、 未改性和改性上浆炭纤维的表面性能, 并用单纤维碎裂法探讨了上浆剂对炭纤维与环氧树脂界面黏结的影响。结果表明: 未改性和经纳米SiO₂改性的两种乳液粒径较小, 稳定性较好, 而前者优于后者。上浆后, 炭纤维表面的粗糙度和表面能都增大, 而且最大值出现在改性乳液上浆炭纤维的表面。改性乳液上浆单纤维复合材料拥有最大的界面剪切强度(IFSS), 比未改性上浆的高出27.2%; 改性上浆炭纤维与基体的调和平均黏结功(W(h)_a )和几何平均黏结功(W(g)_a )也分别高出未改性上浆的12.7%和11.7%。      

碳纳米管对炭纤维/聚碳酸酯复合材料界面结合性能的影响

为改善炭纤维和聚碳酸酯界面结合性能,制备了含碳纳米管的水性聚碳酸酯上浆剂和水性聚氨酯上浆剂,通过上浆工艺将碳纳米管引至炭纤维表面.分别采用单丝段裂法和定向纤维增强聚合物基复合材料垂直方向拉伸两种方法从微观和宏观两个角度研究了上浆剂种类及碳纳米管含量对复合材料界面结合性能的影响.结果表明:上浆剂可明显改善炭纤维/聚碳酸酯...     

二氧化硅纳米颗粒增强炭纤维/环氧树脂界面性能

纤维与基体间的界面性能是决定纤维增强树脂基复合材料力学性能的关键因素。采用单纤维断裂实验方法研究二氧化硅纳米颗粒对炭纤维/环氧树脂复合材料界面的增强作用。实验结果表明,涂覆在炭纤维表面和均匀分散在环氧树脂基体中的二氧化硅纳米颗粒含量分别为4.9g/m2和25%(质量分数)时,复合材料界面性能均得到改善,界面抗剪强度相比纯树脂体系分别提高了10.0%和15.0%。通过对纤维断点处双折射光斑和样品断面形貌等信息分析,可知纳米颗粒均匀分散并镶嵌到炭纤维表面沟槽中形成的锁扣结构是界面性能提高的重要原因。     

炭纤维表面性质及上浆剂对炭纤维聚碳酸酯复合材料界面性能的影响

通过对比未处理炭纤维、氧化炭纤维、商业化环氧树脂用炭纤维和实验室用聚氨酯及环氧树脂自上浆炭纤维的表面性质和其增强聚碳酸酯层间剪切强度,研究炭纤维表面性质与上浆剂对界面结构与性能的影响。结果表明,未处理炭纤维表面官能团与树脂的浸润性最小,层剪值最低为38.1 MPa。氧化纤维表面官能团增加,浸润性提高,层剪值提高到50.6 MPa。商业化环氧树脂用炭纤维表面官能团与树脂浸润性相比氧化纤维明显提高,层剪值相当,为50.8 MPa。说明浸润性是强界面产生前提,但不是充分条件。自上环氧浆炭纤维复合材料的层剪值相比商业炭纤维更低,约为31.7～39.5 MPa,而聚氨酯上浆炭纤维表面官能团与浸润性跟商业化环氧树脂用炭纤维相当,但层剪值提升18.9%,为60.4 MPa。说明界面结合强度提高的原因更依赖于氨酯键与炭纤维表面及聚碳酸酯树脂基体均能产生强的化学作用。     

单丝断裂能量法研究温度对碳纤维/环氧界面性能的影响

针对两种不同上浆剂碳纤维/高温固化环氧树脂体系, 采用基于WND(Wagner-Nairn-Detassis)能量模型的单丝断裂法, 测试分析了从室温到130 ℃范围内单丝复合体系界面断裂能的变化规律, 研究了碳纤维上浆剂对界面耐热性能的影响, 并结合复合材料层板的短梁剪切性能, 分析了微观和宏观界面性能的关联性。结果表明: 在测试温度范围内, 碳纤维/环氧体系的界面断裂能随温度升高呈先下降而后基本不变的趋势, 去除上浆剂后界面断裂能及其随温度的变化程度与未去除上浆剂的情况存在差异, 说明上浆剂对界面耐热性有重要作用。碳纤维/环氧树脂层板层间剪切强度随温度升高线性下降, 与界面断裂能的变化规律不一致, 这与两种测试方法的原理及界面破坏位置的不同有关。      

炭纤维上浆剂对树脂基复合材料界面性能影响

分析了T300B、T700SC和NCF等不同类型炭纤维上浆剂的结构与性质,研究了上浆剂类型及其含量等对炭纤维/树脂间界面作用的影响.结果表明,不同类型炭纤维表面上浆剂的结构与性质不同,NCF纤维使用的GA#和GB#以及T700SC纤维的5#上浆剂热分解温度较高,优于NCF使用的JF#、T300B纤维的5#上浆剂,其中G...     

上浆剂对国产碳纤维复合材料界面性能的影响

为了研究两种不同上浆剂和湿热环境对国产300级碳纤维/环氧树脂体系微观界面性能的影响,采用单丝断裂法,测试分析了去浆前后碳纤维单丝复合体系在自然干态、湿热处理3 d及湿热处理6 d的状态下微观界面剪切应力的变化.结合对扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)及X射线光电子能谱(XPS)等测试结果的分析,研究了碳纤维上浆剂对微观界面性能及其界面耐湿热性能的影响.结果表明:去浆前后A300碳纤维表面均有明显沟槽;上浆剂1并未使A300碳纤维表面粗糙度有明显变化,但上浆剂2使A300碳纤维表面粗糙度减小,而两种上浆剂均使A300碳纤维表面含氧极性官能团含量减少.两种上浆剂对制备的复合材料界面性能和耐湿热性能都有较大的提高,其中上浆剂1在自然干态下对界面性能的提高更明显.     

上浆剂对国产T700级碳纤维复合材料界面性能的影响

采用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等测试方法表征了上浆/未上浆国产T700级(MT700)碳纤维的表面特性,并通过单丝断裂实验测试了单丝复合体系微观界面剪切强度(IFSS),在此基础上研究了碳纤维表面特性对单丝复合体系微观界面性能及其耐湿热性能的影响.研究表明:MT700碳纤维表面上浆剂改善了纤维/基体微观界面强度及其耐湿热性能;湿热环境对复合材料的微观界面性能影响显著,尤其是造成纤维/基体间的化学键合作用破坏,去湿后部分界面性能可恢复.     

纳米SiO2改性上浆剂对炭纤维复合材料界面性能的影响

利用单纤维碎裂法，三点短梁法，扫描电镜（SEM）和动态力学热分析（DMTA）研究了未上浆炭纤维、环氧树脂乳液上浆炭纤维和经纳米SiO2改性环氧树脂乳液上浆炭纤维增强树脂基复合材料（CFRP）的界面性能。结果表明：炭纤维经改性乳液上浆剂和未改性乳液上浆剂上浆后，与未上浆相比，其单纤维复合材料的界面剪切强度（IFSS）分别提高了79％和41％，复合材料的层间剪切强度（ILSS）分别提高了14％和9％。DMTA图谱显示经纳米SiO：改性上浆的CFRP其损耗角正切（tanδ）较未改性上浆的降低18％，玻璃化温度（Tg）高出5℃。说明上浆剂中添加纳米SiO2可使上浆后的CFRP界面黏结性得到显著增强。     

氧化石墨烯改性玄武岩纤维及其增强环氧树脂复合材料性能

为了改善玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的界面性能,通过偶联剂对氧化石墨烯进行改性,并将改性后的氧化石墨烯引入到上浆剂中对玄武岩纤维进行表面涂覆改性,同时制备了氧化石墨烯-玄武岩纤维/环氧树脂复合材料.采用FTIR表征了氧化石墨烯的改性效果;运用SEM分析了改性上浆剂处理对玄武岩纤维表面及复合材料断口形貌的影响和作用机制.结果表明:偶联剂成功接枝到氧化石墨烯表面;玄武岩纤维经氧化石墨烯改性的上浆剂处理后,表面粗糙度及活性官能团含量增加,氧化石墨烯-玄武岩纤维/环氧树脂界面处的机械齿合作用及化学键合作用增强,界面黏结强度得到改善,玄武岩纤维的断裂强力提高了30.8%,氧化石墨烯-玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度提高了10.6%.     

Effects of emulsion sizing with nano-SiO<Subscript>2</Subscript> on interfacial properties of carbon fibers/epoxy composites

Nano-SiO₂ particles were used to modify epoxy emulsion sizing of carbon fibers to improve the interfacial properties of carbon fibers reinforced epoxy composites. The mechanical interfacial strength between fibers and matrix was investigated by the single fiber fragmentation test and the 3-point short beam shear test, respectively. Dynamic contact angle analysis (DCAA), X-ray photoelectron spectrometry (XPS) and atomic force microscopy (AFM) were performed on the carbon fibers with unmodified sizing and nano-SiO₂ modified sizing. The results indicated that modified sizing with nano-SiO₂ slightly increased the surface energy, the hydroxyl functional group and the surface roughness of carbon fibers compared to unmodified sizing, so that the interfacial shear strength (IFSS) of the single fiber composites and the interlaminar shear strength (ILSS) of composites were enhanced. SEM images of fracture sections of composites proved powerfully that the interfacial adhesion between fibers and matrix was improved after nano-SiO₂ modified emulsion sizing treatment.     

激光改性纤维对其增强环氧树脂复合材料力学性能的影响

利用激光对玻璃纤维、玄武岩纤维和碳纤维进行表面改性后,以环氧树脂为基体,分别制备三种纤维增强环氧树脂复合材料。利用SEM和万能试验机对表面改性前后的碳纤维形态、力学性能及三种纤维/环氧树脂复合材料的力学性能和断面形貌进行表征,研究了纤维激光表面改性对三种纤维及其增强环氧树脂复合材料力学性能的影响。结果表明:激光表面改性对碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能提升最高,其拉伸强度最大提高了77.06%,冲击强度最大提高了31.25%,玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的力学性能提升次之,而玻璃纤维/环氧树脂复合材料的力学性能有所下降。因此,激光进行表面改性适用于碳纤维和玄武岩纤维。     

新型水性上浆剂对碳纤维及其复合材料界面性能的影响

使用新型水性上浆剂O3PPA对碳纤维表面进行改性处理,使用聚己内酰胺树脂为基体制备碳纤维/聚己内酰胺树脂复合材料,使用X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电镜(SEM)、纤维强伸度仪(XQ-1A)、万能材料试验机等手段表征改性后的碳纤维和碳纤维/聚己内酰胺树脂复合材料。结果表明,O3PPA的最佳上浆质量分数和吸附量分别为1%和5 mg/g。经O3PPA处理的碳纤维单丝的断裂强度提高了12%,碳纤维短丝在聚己内酰胺树脂中的分散性明显提高。而经O3PPA处理的碳纤维/聚己内酰胺树脂复合材料,其弯曲强度和层间剪切强度比未处理分别提高了35%和46%。     

碳纤维水性杂化上浆剂的制备及其上浆后力学性能

以一定比例的甲基三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯、对甲苯磺酸、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、无水乙醇制备含硅溶胶,将含硅溶胶和聚醚型水性聚氨酯的水溶液以一定比例复合,制备碳纤维水性杂化上浆剂。研究了不同配比对上浆剂平均粒径和稳定性的影响,结果表明:当水性聚氨酯含量为0.02g/mL时,上浆剂乳液平均粒径为99.94nm,粒径分布较窄,稳定性较好;使用制备的杂化上浆剂对碳纤维进行上浆处理,结果显示:上浆后碳纤维单丝拉伸强度较商用碳纤维提高4.45%,较未上浆碳纤维提高11.04%;与环氧树脂复合后的复合材料界面剪切强度比商用碳纤维增强环氧树脂复合材料的提高了13.74%。     

几种国产高模碳纤维特性实验分析

采用SEM、金相显微镜、AFM、XPS、XRD表征了3种国产（CCM40J,CCM40,CCM46J）和1种进口（东丽M40JB）高模碳纤维的表面特性及结晶结构,并对高模碳纤维与环氧树脂的微观界面及复丝力学性能进行了研究。结果发现:高模碳纤维的表面都存在明显沟槽,但表面粗糙度差异不大,均有圆形、腰果形、椭圆形等截面形状;表面主要含C、O、N、Si 4种元素,M40JB的O/C比和活性碳原子含量都高于国产高模碳纤维;按M40JB、CCM40J、CCM40、CCM46J的顺序,石墨微晶尺寸越来越大,石墨化程度增高,M40JB的取向度最小,CCM46J的取向度最大,而CCM40J与CCM40的取向度相近;表面能大小顺序为M40JB > CCM40 > CCM46J > CCM40J,80 ℃时与环氧树脂E51、固化剂4,4'-二氨基二苯砜（DDS）的树脂体系E51-DDS和4,4'- 二氨基二苯甲烷环氧树脂（AG80）、固化剂DDS的树脂体系AG80-DDS的动态接触角均在35°~50°之间,说明浸润性良好;CCM46J与E51-DDS的界面剪切强度（IFSS）最高,M40JB与AG80-DDS的界面剪切强度最高;国产3种高模碳纤维复丝的拉伸强度和拉伸模量都高于M40JB,其中CCM40J的拉伸强度最高,CCM46J的拉伸模量最高;所测高模碳纤维复丝的压缩强度能达到各自拉伸强度的44%~53%,CCM46J复丝的压缩强度最高。      

上浆剂对炭纤维表面和环氧树脂复合材料的影响

采用两种上浆剂对聚丙烯腈(PAN)基炭纤维进行表面上浆,利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线元素分析(XPS)和反向气相色谱(IGC)研究了未上浆、上浆炭纤维的表面形貌、化学组成及纤维表面能,测试了未上浆和上浆炭纤维所制备复合材料的层间剪切强度(ILSS)并用SEM观察其断面形貌。结果表明,上浆后炭纤维表面变平滑,纤维表面n(O)/n(C)明显提高,含氧官能团(羟基、羧基)增加,炭纤维表面能降低。上浆后,复合材料的ILLS有所提高。     

单丝断裂双树脂法研究碳纤维/环氧树脂界面粘结性能

建立了单丝断裂双树脂体系法, 利用外层树脂的韧性使包埋于内层脆性树脂中的纤维单丝断裂达到饱和, 解决了断裂伸长率较低的树脂基体采用传统的单丝断裂法无法测得界面剪切强度的问题。分别采用界面剪切强度和界面断裂能作为表征参量, 考察了干态及湿热条件下两种T300级和两种T800级碳纤维/环氧树脂的界面性能, 并与单丝断裂单树脂体系的界面性能进行比较。结果表明: 单丝断裂双树脂体系与单树脂体系在表征碳纤维/环氧树脂的界面性能上定性规律一致; 双树脂体系界面断裂能和界面剪切强度均可评价界面的耐湿热性能, 且二者得到的变化规律一致; 湿热处理后界面粘结性能均呈下降趋势, 国外碳纤维体系的界面耐湿热性能明显优于国产碳纤维体系。     

化学处理和吸湿水对剑麻纤维及其与树脂界面性能的影响

使用KMnO₄、NaOH、阻燃剂、硅烷对剑麻纤维进行表面处理。采用单丝拉伸和微脱粘方法分别测试了剑麻纤维的拉伸性能及其与改性丙烯酸酯、环氧树脂的界面性能,考察了吸湿水对剑麻纤维表面形貌、拉伸性能及其与树脂界面粘结的影响,分析了相应的破坏模式。结果表明,经过表面化学处理后剑麻纤维的拉伸强度和模量均有不同程度的下降,其中经KMnO₄和硅烷处理后,纤维拉伸强度下降了44%,经NaOH处理后其拉伸强度降低了27%,阻燃剂处理对剑麻性能的影响不明显。表面化学处理还会降低剑麻纤维与改性丙烯酸酯的界面粘结强度,其下降的幅度与纤维拉伸强度下降程度不一致,阻燃剂处理的剑麻/改性丙烯酸酯的界面强度最低,仅为2.0 MPa,较未处理剑麻纤维复合体系下降了80%。经硅烷处理后,剑麻纤维的吸水率下降,吸水后其拉伸性能保留率高于未处理剑麻纤维。湿态条件下未处理剑麻纤维与环氧树脂的界面强度为6.6 MPa,高于硅烷处理剑麻/环氧树脂的界面强度,其断口形貌表明硅烷处理可导致微纤之间的弱粘结,从而降低了剑麻纤维自身及其与树脂的界面性能。