基于上漿法的界面設計及其對CFRP界面性能的影響研究.pdf

1、碳纖維增強環(huán)氧樹脂基（CF/EP）復合材料因環(huán)氧樹脂優(yōu)異的力學性能和良好的工藝性成為航空航天用CFRP家族中重要一員，但是CF/EP的斷裂韌性差且無法回收利用。碳纖維增強熱塑性樹脂基（CFRTP）復合材料具有韌性好、環(huán)境友好等優(yōu)點，尤其是高性能熱塑性樹脂的快速發(fā)展促進了碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料在航空航天領域的應用，這也使得對CFRTP的基礎研究顯得尤為重要。界面是復合材料不可或缺的組成部分，界面性能在很大程度上決定著復合材料整體性

2、能的發(fā)揮。對于 CF/EP復合材料來說，界面結(jié)合強度較強，但結(jié)合韌性較差；對于 CFRTP復合材料來說，界面因缺少化學鍵連接而使得界面結(jié)合強度較差。針對上述問題，本論文旨在通過界面設計實現(xiàn)CF/EP復合材料界面的增韌增強，實現(xiàn)碳纖維增強高性能熱塑性樹脂含二氮雜萘聯(lián)苯聚醚酮（PPEK）復合材料界面的增強。
　　碳纖維/PPEK復合材料界面剪切強度影響因素分析結(jié)果表明徑向熱殘余應力對碳纖維增強PPEK復合材料界面剪切強度貢獻超過80％

3、，影響界面剪切強度的因素主要有纖維/樹脂間的物理作用力、界面摩擦和熱殘余應力。針對界面剪切強度的影響因素可以有針對性的對界面進行設計。本論文中研發(fā)了一種新型耐高溫熱塑性上漿劑，并將其應用于碳纖維表面處理，提高了碳纖維的表面能，改善了碳纖維與PPEK樹脂的浸潤性，使得碳纖維/PPEK單絲復合材料的界面剪切強度提高了21.6%。
　　在碳纖維表面引入碳納米管所制備的碳納米管/碳纖維多尺度纖維復合材料，相比與傳統(tǒng)CFRP復合材料，具有更

4、高的界面摩擦和機械嚙合作用，從而使得復合材料的界面剪切強度得以提高。本論文中結(jié)合電泳沉積法和上漿法，通過調(diào)整電泳電極和電場形式等參數(shù)，開發(fā)出簡便易行的制備碳納米管/碳纖維多尺度纖維的工藝方法，所制備的碳納米管/碳纖維多尺度纖維表面具有較高密度的碳納米管。碳納米管的存在使得碳纖維表面粗糙度得到了明顯提高，使得碳纖維增強PPEK復合材料界面剪切強度相比于PPEK上漿的碳纖維復合材料提高了35.6%。本論文還對碳納米管進行了化學修飾，提高了其

5、在熱塑性上漿劑中的分散性，制備了含有碳納米管的上漿劑，并采用上漿的方法制備了碳納米管/碳纖維多尺度纖維。采用含有碳納米管的上漿劑上漿碳纖維所制備的碳納米管/碳纖維多尺度纖維使得PPEK復合材料界面剪切強度提高18.5%。
　　在上漿劑中引入可以在 CF/EP界面發(fā)生化學反應的活性單體，并將改進后的上漿劑應用于碳纖維表面上漿，這使得上漿后的CF/EP復合材料在具有良好韌性的同時界面剪切強度也得到了增強?；诠δ苻D(zhuǎn)化原理和Scheer

6、-Nairn剪滯模型推導出了單絲復合材料界面彈性能釋放率的計算公式，用來表征界面斷裂韌性。計算結(jié)果表明，采用改進的熱塑性上漿劑處理的碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料界面彈性能釋放率提高了56.1%。力學性能測試結(jié)果表明采用含有活性分子的熱塑性上漿劑上漿后的CF/EP復合材料相比于普通商用碳纖維復合材料，界面剪切強度提高了15.5%，層間剪切強度提高了12.0%，II型層間斷裂韌性提高了51.3%。
　　使用熱塑性上漿劑和含有碳納米管的

7、上漿劑對未上漿的碳纖維絲束進行批量上漿處理，得到的纖維絲束用來增強PPEK樹脂，制備單向復合材料層合板，并對復合材料層合板的宏觀力學性能進行表征。熱塑性上漿劑和含有碳納米管的上漿劑上漿碳纖維增強PPEK復合材料相比于商用碳纖維增強PPEK復合材料層間剪切強度提高分別提高36.6%和115.4%，沖擊斷裂功分別提高了22.2%和113.9%。層間剪切強度和沖擊測試結(jié)果表明，對比商用的表面為環(huán)氧上漿劑的碳纖維復合材料，無論是熱塑性上漿劑還是