倍半硅氧烷涂層對CF-PAA復合材料力學性能的影響.pdf

1、碳纖維/聚芳基乙炔(CF/PAA)復合材料是未來耐熱材料的首選。但PAA樹脂屬于非極性結(jié)構(gòu)化合物，與纖維浸潤性差，基體固化后呈現(xiàn)脆性，導致界面粘接性能差，從而影響到其廣泛的應(yīng)用。本論文從分子水平設(shè)計復合材料界面的角度出發(fā)，對CF/PAA復合材料界面進行涂層改性處理，實現(xiàn)纖維和樹脂間的良好粘接，從而有效發(fā)揮碳纖維和PAA樹脂的優(yōu)異性能。
　　倍半硅氧烷（SSO）是分子水平上的有機/無機雜化材料，有機官能團具有可設(shè)計性，其中多面體低聚

2、倍半硅氧烷（POSS）為籠型結(jié)構(gòu)的SSO。根據(jù)PAA單體及其預(yù)聚物的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了五種含不同官能團、不同結(jié)構(gòu)的SSO涂層，分別為多形態(tài)結(jié)構(gòu)的MES-SSO、VMS-SSO、MPMS-SSO和單一籠型多面體結(jié)構(gòu)的MethacrylIsobutyl-POSS、TriSilanolPhenyl-POSS。以甲基三乙氧基硅烷（MES）、乙烯基三甲氧基硅烷（VMS）和γ-(甲基丙稀酰氧)丙基三甲氧基硅烷（MPMS）為前驅(qū)體，通過溶膠-凝膠水解縮

3、聚法合成了相應(yīng)的SSO，即MES-SSO、VMS-SSO和MPMS-SSO。通過正交試驗確定了合成該類SSO的工藝條件。利用傅立葉紅外光譜、核磁共振譜（包括1H、13C、29Si)和基質(zhì)輔助激光解析/電離飛行時間質(zhì)譜對合成的SSO的結(jié)構(gòu)進行了表征。結(jié)果表明合成的SSO中含無規(guī)、梯形、半籠型和籠型等多種結(jié)構(gòu)。熱失重分析結(jié)果表明SSO均具有良好的耐熱性能。通過傅立葉紅外光譜、差示掃描量熱分析研究了含活性官能團的SSO和PAA樹脂的反應(yīng)性。<

4、br>　　通過短梁彎曲法和微脫粘法分別測試了CF/PAA復合材料的層間剪切強度（ILSS）和界面剪切強度（IFSS），結(jié)合復合材料剪切斷口表面的掃描電子顯微鏡（SEM）形貌特征來表征SSO涂層處理CF表面對CF/PAA復合材料界面粘接性能的影響。結(jié)果表明SSO涂層處理改善了復合材料的界面性能，涂層溶液濃度對復合材料界面粘接性能影響顯著，2mass％的涂層溶液濃度可獲得最佳的復合材料界面粘接性能；相同濃度下，不同結(jié)構(gòu)的SSO涂層改性效果不

5、同，單一籠型結(jié)構(gòu)的POSS涂層對CF/PAA界面的改性效果好于含多種結(jié)構(gòu)的SSO涂層。CF/PAA復合材料的剪切斷口SEM形貌直觀地說明這一改性效果的差別。而同類SSO中，活性官能團對CF/PAA界面性能的影響在復合材料的ILSS和IFSS中幾乎得不到體現(xiàn)。靈敏的、無損動態(tài)力學分析測試卻能夠表征這一活性官能團對界面粘接強度影響效果的不同。PAA樹脂在SSO涂層處理的CF表面的浸潤性能被提高。SSO納米結(jié)構(gòu)引起的納米效應(yīng)是SSO涂層處理時

6、復合材料的界面粘接性能提高的主要因素。
　　CF經(jīng)空氣等離子活化后SSO涂層處理可更好實現(xiàn)纖維和樹脂之間的良好粘接。處理前后的CF/PAA復合材料ILSS和IFSS的變化表明，等離子活化后含有活性官能團的SSO涂層改性的效果好于含非活性官能團的SSO涂層。等離子活化后SSO涂層處理的CF表面SEM和原子力顯微鏡（AFM）形貌表面處理后纖維粗糙度增大，CF/PAA復合材料的剪切斷口SEM形貌直觀的說明了纖維和涂層間的化學鍵結(jié)合。處理

7、前后的CF表面X射線光電子能譜測試結(jié)果表明，等離子活化后纖維表面的自由基引發(fā)了SSO涂層在CF表面的反應(yīng)。等離子活化后SSO涂層處理使得CF/PAA復合材料界面粘接性能提高的主要因素是化學鍵和機械嚙合作用。
　　采用力調(diào)制模式下的AFM觀察了CF/PAA復合材料橫截面的形貌并對纖維、界面和樹脂的相對硬度進行了表征，籠型多面體結(jié)構(gòu)的POSS涂層硬度大于多形態(tài)結(jié)構(gòu)的SSO涂層。該方法可以清楚地觀察復合材料界面層的厚度。
　　SS

8、O涂層在改善復合材料界面粘接性能的同時可提高復合材料的其他性能。熱氧老化試驗表明改性后的復合材料耐熱性能得到改善，SSO涂層適合高溫條件下使用，籠型多面體POSS涂層改性的復合材料的耐熱性能好于多形態(tài)SSO改性的復合材料，耐熱性能的提高來自于SSO涂層中的無機Si-O-Si納米骨架結(jié)構(gòu)。示波沖擊測試實驗表明，等離子活化前后SSO涂層處理的復合材料的抗沖擊性能得到提高，籠型結(jié)構(gòu)的POSS涂層對復合材料抗沖擊性能的改性效果好于多形態(tài)結(jié)構(gòu)的S