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芳纶纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料的研究

作　者: 苏敏
导　师: 顾媛娟
学　校: 苏州大学
专　业: 材料学
关键词: 芳纶纤维双马来酰亚胺树脂复合材料表面改性界面性能
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 131次
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内容摘要

先进树脂基复合材料以其轻质、高比强、高比模、耐高温和极强的材料-性能可设计性而成为发展迅猛的高技术材料之一。芳纶纤维(Kevlar)是一种高性能有机纤维,双马来酰亚胺(BMI)树脂是一种性能优良的耐高温热固性树脂,因此芳纶纤维与双马来酰亚胺树脂的有机结合可望获得性能更加优异的复合材料,但是由于芳纶纤维表面化学活性低,缺少极性官能团,而且纤维结晶度高,表面光滑,致使纤维与树脂基体的界面粘结性能差,不能获得性能优异的先进聚合物基复合材料。本文针对芳纶纤维复合材料存在的瓶颈问题,展开了相关研究。首先,采用三种不同处理方法(磷酸处理、氧气等离子体处理和偶联剂改性结合等离子体处理)对芳纶纤维进行了表面改性,通过考察纤维表面化学结构、元素组成、表面形貌以及表面粗糙度的变化,研究了不同处理方法对芳纶纤维表面性能的影响;同时对氧气等离子体处理的芳纶纤维进行了时效性分析。研究发现,处理后的纤维表面引入了大量的含氧基团,并产生了明显的刻蚀作用;等离子体处理后的纤维表面的化学组成随着储存时间延长发生了明显的退化效应,这可能与等离子体处理之后的纤维表面极性基团发生重排、翻转有关。其次,利用溶液预浸渍工艺和高温模压成型技术制备了未表面处理及经表面处理的纤维组成的Kevlar/BMI复合材料。通过研究复合材料的层间剪切强度(ILSS)、吸水率和界面破坏机理研究复合材料的界面粘结性能。研究结果表明,与未经表面处理的纤维制得的复合材料相比,由经表面处理的Kevlar组成的复合材料具有高的层间剪切强度、明显降低的吸水率,同时复合材料的破坏模式也由界面破坏逐渐转变为基体或纤维本体的破坏。最后,研究了经不同表面处理的纤维组成的复合材料的介电性能及其与界面性质的关系。研究发现,各复合材料在外电场作用下出现不同的界面极化,进而对介电性能产生不同的影响;外界温度通过影响分子链的极化运动和热运动使介电性能产生不同的改变。

全文目录

中文摘要  4-5
Abstract  5-11
第1章绪论  11-27
  1.1 复合材料概述  11-12
  1.2 高性能树脂基体概述  12
  1.3 芳纶纤维的概况  12-16
    1.3.1 芳纶纤维的分子结构  12-14
      1.3.1.1 对位芳纶纤维  13
      1.3.1.2 间位芳纶纤维  13-14
    1.3.2 芳纶纤维的结构形态  14
      1.3.2.1 结晶结构  14
      1.3.2.2 原纤结构  14
      1.3.2.3 褶叠结构  14
      1.3.2.4 皮芯结构  14
    1.3.3 芳纶纤维的特性及应用  14-16
  1.4 复合材料的界面  16-19
    1.4.1 界面的作用机理  17-19
      1.4.1.1 浸润性理论  17
      1.4.1.2 化学键理论  17-18
      1.4.1.3 过渡层理论  18
      1.4.1.4 可逆水解理论  18-19
      1.4.1.5 扩散理论  19
      1.4.1.6 静电理论  19
      1.4.1.7 摩擦理论  19
    1.4.2 界面性能的评价方法  19
  1.5 芳纶纤维表面改性  19-24
    1.5.1 表面涂层法  20
    1.5.2 化学改性  20-21
      1.5.2.1 表面刻蚀技术  20-21
      1.5.2.2 表面接枝改性  21
    1.5.3 γ射线辐射改性  21-22
    1.5.4 超声浸渍改性  22
    1.5.5 等离子体表面改性  22-24
      1.5.5.1 等离子体表面处理  23
      1.5.5.2 等离子体表面接枝  23-24
  1.6 课题的提出和研究内容  24-27
第2章实验部分  27-32
  2.1 实验原料与设备  27
  2.2 芳纶纤维的表面处理  27-28
    2.2.1 磷酸处理  28
    2.2.2 氧气等离子体处理  28
    2.2.3 偶联剂结合氧气等离子体处理  28
  2.3 BMI 树脂基复合材料的制备  28-29
    2.3.1 胶液的配制  28
    2.3.2 半固化片的制备  28-29
    2.3.3 复合材料的成型制备  29
  2.4 测试与表征  29-32
    2.4.1 红外光谱分析（FT-IR）  29
    2.4.2 X 射线光电子能谱（XPS）  29
    2.4.3 原子力显微镜（AFM）  29-30
    2.4.4 扫描电子显微镜（SEM）  30
    2.4.5 复合材料层间剪切强度（ILSS）测试  30
    2.4.6 复合材料层间剪切破坏形貌分析  30
    2.4.7 复合材料吸湿率测试  30-31
    2.4.8 复合材料介电性能测试  31-32
第3章磷酸处理的Kevlar 纤维表面及复合材料界面性能分析  32-39
  3.1 引言  32
  3.2 结果与讨论  32-37
    3.2.1 纤维表面化学结构分析（FT-IR）  32-33
    3.2.2 纤维表面元素组成及官能团分析（XPS）  33-34
    3.2.3 纤维表面SEM 形貌分析  34-35
    3.2.4 磷酸处理对复合材料层间剪切强度的影响  35
    3.2.5 磷酸处理对复合材料吸湿性能的影响  35-36
    3.2.6 磷酸处理对复合材料介电性能的影响  36-37
  3.3 本章小结  37-39
第4章等离子体处理的Kevlar 纤维表面及复合材料界面性能分析  39-57
  4.1 引言  39
  4.2 结果与讨论  39-55
    4.2.1 纤维表面化学结构分析（FT-IR）  39-40
    4.2.2 纤维表面元素组成及官能团分析（XPS）  40-43
    4.2.3 纤维表面SEM 形貌分析  43-44
    4.2.4 纤维表面AFM 分析  44-46
    4.2.5 等离子体处理对复合材料层间剪切强度的影响  46-48
    4.2.6 等离子体处理对复合材料吸湿性能的影响  48-49
    4.2.7 等离子体处理对复合材料介电性能的影响  49-51
    4.2.8 温度对处理前后复合材料的介电性能的影响  51-53
    4.2.9 等离子体处理时效性的影响  53-55
  4.3 本章小结  55-57
第5章结合偶联剂处理的Kevlar 纤维表面及复合材料界面性能分析  57-63
  5.1 引言  57
  5.2 结果与讨论  57-62
    5.2.1 纤维表面化学结构分析（FT-IR）  57-58
    5.2.2 纤维表面元素组成分析（XPS）  58-59
    5.2.3 纤维表面SEM 形貌分析  59-60
    5.2.4 结合偶联剂处理对复合材料层间剪切强度的影响  60
    5.2.5 结合偶联剂处理对复合材料吸湿性能的影响  60-61
    5.2.6 结合偶联剂处理对复合材料介电性能的影响  61-62
  5.3 本章小结  62-63
第6章结论  63-65
参考文献  65-73
硕士期间发表的论文  73-74
致谢  74-75

芳纶纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料的研究

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