含納米組元界面相對(duì)碳纖維-環(huán)氧復(fù)合材料界面性能的影響.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料因其輕質(zhì)、高比強(qiáng)和高比剛的特性而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。界面作為復(fù)合材料重要的組成部分，影響著復(fù)合材料中應(yīng)力的傳遞方式和均勻分散，以及材料內(nèi)部損傷和裂紋的傳播過(guò)程，在很大程度上影響著材料的強(qiáng)度、韌性以及耐環(huán)境和化學(xué)穩(wěn)定性。由于碳纖維表面光滑惰性的物理化學(xué)特征，其與聚合物基體的界面粘結(jié)通常較弱，在使用前必須對(duì)其表面進(jìn)行活化處理，通過(guò)增強(qiáng)化學(xué)鍵合、機(jī)械鎖合和次價(jià)鍵力等化學(xué)機(jī)械作用中的一種或幾種提高復(fù)合材料的界面粘

2、結(jié)強(qiáng)度。但是，提高復(fù)合材料界面粘結(jié)強(qiáng)度的同時(shí)復(fù)合材料沖擊韌性通常降低。本文以先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料中常用的碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料為研究對(duì)象，根據(jù)環(huán)氧樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取了三種含有不同官能團(tuán)的多面體低聚倍半硅氧烷（Polyhedral oligomeric silsesquioxanes, POSS）和胺基功能化的碳納米管（Carbon nanotubes, CNTs），通過(guò)上漿劑涂敷法和化學(xué)接枝法將這些納米組元引入碳纖維表面，達(dá)到了對(duì)復(fù)合材

3、料界面同時(shí)增強(qiáng)增韌的良好改性效果。
　　將aminopropylphenyl POSS、glycidylphenyl POSS以及octaglycidyldimethyl-silyl POSS分別與環(huán)氧樹(shù)脂溶液配制成含不同濃度納米組元的上漿劑，并將其涂敷于未處理的碳纖維以及陽(yáng)極氧化碳纖維的表面。通過(guò)掃描電鏡、X-射線光電子能譜和動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試對(duì)上漿后碳纖維表面的物理化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行了表征，結(jié)果表明，上漿劑增加了纖維表面粗糙度和表面能，

4、改善了纖維的浸潤(rùn)性。當(dāng)上漿劑中POSS含量為0.5wt％時(shí)，上漿的均勻性最好，POSS結(jié)晶顆粒較小，纖維表面粗糙度適中。當(dāng)三種不同 POSS上漿劑中POSS含量相同時(shí)，含octaglycidyldimethylsilyl POSS的上漿劑上漿均勻性最好，這種POSS具有與上漿劑中環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)相近的官能團(tuán)，在上漿劑中溶解性最好。對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了層間剪切強(qiáng)度、界面剪切強(qiáng)度和沖擊性能測(cè)試，并結(jié)合復(fù)合材料破壞斷口的SEM形貌特征研究了含不同種類

5、和不同濃度POSS的上漿劑對(duì)復(fù)合材料界面性能的影響。結(jié)果表明，含 POSS上漿劑可以不同程度的改善復(fù)合材料的界面性能，當(dāng)上漿劑中POSS含量為0.5wt%時(shí)，復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度和沖擊韌性最高，POSS獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋的誘導(dǎo)、阻礙和偏轉(zhuǎn)是復(fù)合材料界面性能提高的主要原因。當(dāng)上漿劑中含POSS濃度相同時(shí)，octaglycidyldimethylsilyl POSS因具有含多活性官能團(tuán)的柔性側(cè)基，所以對(duì)復(fù)合材料界面的改性效果好于含其它兩

6、種 POSS的上漿劑。另外，單純使用含 POSS上漿劑對(duì)界面的改性效果弱于單純的陽(yáng)極氧化處理，兩種方法結(jié)合使用可達(dá)到最好的改性效果。
　　將胺基功能化的CNTs與環(huán)氧樹(shù)脂溶液配制成不同濃度的上漿劑，并涂敷于未處理的碳纖維和陽(yáng)極氧化碳纖維表面。測(cè)試結(jié)果表明，上漿劑中CNTs濃度為0.5wt%時(shí)，對(duì)碳纖維表面及復(fù)合材料界面的改性效果最好，此時(shí)，碳纖維表面CNTs數(shù)量適中，分布均勻，團(tuán)聚體較少。CNTs在界面區(qū)域形成的機(jī)械錨定和其對(duì)裂紋

7、的阻礙是復(fù)合材料界面性能增強(qiáng)的主要原因。
　　為了進(jìn)一步加強(qiáng)納米組元與纖維表面的作用力，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將octaglycidyldimethylsilyl POSS和胺基化的CNTs分兩步接枝在了碳纖維表面。復(fù)合材料機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果表明，POSS接枝和POSS與CNTs二元接枝均可以較大程度的提高復(fù)合材料的界面性能，其中又以二元接枝改性效果最好。通過(guò)纖維表面官能團(tuán)和界面化學(xué)反應(yīng)分析、纖維表面機(jī)械嚙合效果分析、纖維與樹(shù)脂浸潤(rùn)性分析以及

8、復(fù)合材料界面微區(qū)硬度測(cè)試等四個(gè)方面研究了界面相中的納米組元對(duì)界面增強(qiáng)增韌的作用機(jī)理。接枝后碳纖維表面octaglycidyldimethylsilyl POSS的大量縮水甘油醚基團(tuán)與聚合物基體中的固化劑發(fā)生反應(yīng)，在碳纖維表面與樹(shù)脂基體間形成了強(qiáng)大的化學(xué)作用力；POSS與CNTs增加了纖維表面粗糙度，深入基體中的CNTs與聚合物形成機(jī)械嚙合，限制了纖維表面樹(shù)脂分子的自由運(yùn)動(dòng)，當(dāng)復(fù)合材料受到破壞時(shí)，界面相中的納米組元對(duì)裂紋的阻礙和偏轉(zhuǎn)，消耗