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高模碳纤维表面结构及其与TDE-85界面性能的研究

作　者: 龚伟明
导　师: 谢怀勤
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 高模碳纤维 微观组织结构 浸润性 化学官能团 界面剪切强度
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


作为重要的先进航空航天结构材料,碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的性能取决于增强碳纤维与树脂基体的性能以及两者之间的界面结合状况。因此对高性能碳纤维及其与树脂的界面强度进行研究具有非常重要的意义。采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和激光共聚焦显微镜(LSCM)对三种不同模量的聚丙烯晴基(PAN)碳纤维表面进行研究发现:高模碳纤维表面较为粗糙,存在大量的沟槽;断面呈不规则的“腰果”状。XRD和Raman对其微观组织结构进行了分析,结果表明碳纤维模量的提高主要得益于其石墨化程度的提高。碳纤维石墨微晶晶面间距及石墨层叠层厚度的增大,以及石墨结构有序化程度的提高,都有利于碳纤维模量的提高。利用动态接触角法测量了碳纤维与水、二碘甲烷和TDE-85树脂的接触角,结果显示不同模量的碳纤维与不同极性液体的接触角表现出完全相反的趋势。表面能计算结果表明,虽然三种不同模量的碳纤维表面能相似,但它们的表面能分量却相差甚远。碳纤维模量越高,与水的接触角越大,极性分量越小;碳纤维模量越高,与二碘甲烷的接触角越小,色散分量越大。综合接触角和表面能的结果认为高模碳纤维表面属于非极性表面,不利于与极性树脂浸润,改善其与树脂的浸润应该从提高其表面能色散分量入手。运用XPS分析手段对碳纤维原丝和脱浆后的本体表面以及纤维/树脂界面的化学成分及官能团分布进行了表征。表征结果显示碳元素及官能团含量随着增强碳纤维模量的增大而增加,形成界面以后,官能团含量大幅提高,在50%以上,并检测出了氮元素及高氧化态的官能团,表明碳纤维与树脂在界面处产生了化学交联。采用微脱粘法测量了碳纤维/树脂的界面剪切强度,采用两种不同的方法对实验数据进行了处理,两种方法得到的界面剪切强度结果相差小于5%。测试结果表明高模碳纤维与TDE-85树脂形成了较强的界面强度,M55JB/TDE-85界面剪切强度为59.81MPa,界面强度随着增强纤维模量的增大而减小。去除上浆剂前后碳纤维与树脂间的界面强度的变化结果说明机械啮合作用是界面强度的重要来源,提高碳纤维表面粗糙度是提高界面强度非常有效的途径。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-23
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 碳纤维分类及国内外发展概况  10-11
  1.3 碳纤维结构与表征  11-17
    1.3.1 碳纤维结构  11-13
    1.3.2 碳纤维的性能  13-14
    1.3.3 碳纤维结构与性能表征  14-17
  1.4 碳纤维复合材料的界面结构  17-21
    1.4.1 复合材料界面性能理论  18-19
    1.4.2 复合材料界面性能的表征  19-21
  1.5 TDE-85 树脂  21
  1.6 课题研究目的与意义及主要内容  21-23
    1.6.1 课题研究目的与意义  21-22
    1.6.2 课题研究主要内容  22-23
第2章 试验材料与方法  23-27
  2.1 试验用原料  23-24
    2.1.1 碳纤维本体的制备  24
  2.2 主要实验设备  24-26
    2.2.1 扫描电子显微镜(SEM)  24-25
    2.2.2 原子力显微镜(AFM)  25
    2.2.3 激光共聚焦显微镜(LSCM)  25
    2.2.4 X射线衍射分析仪(XRD)  25
    2.2.5 动态接触角  25
    2.2.6 Raman光谱分析仪  25-26
    2.2.7 X射线光电能谱仪(XPS)  26
    2.2.8 纤维/树脂复合材料界面强度测试仪  26
  2.3 树脂固化制度  26-27
第3章 高模碳纤维微观形貌与结构表征  27-40
  3.1 高模碳纤维表面形貌分析  27-33
    3.1.1 扫描电子显微镜分析  27-30
    3.1.2 纤维表面粗糙度分析  30-33
  3.2 高模碳纤维微观结构表征  33-38
    3.2.1 XRD测试结果分析  33-36
    3.2.2 Raman光谱分析  36-38
  3.3 本章小结  38-40
第4章 高模碳纤维表面化学状态分析  40-53
  4.1 碳纤维表面润湿性能分析  40-46
    4.1.1 试样的制备与测量  41-44
    4.1.2 表面能的计算及结果分析  44-46
  4.2 高模碳纤维表面化学组成分析  46-51
  4.3 本章小结  51-53
第5章 高模碳纤维/树脂界面性能表征  53-65
  5.1 高模碳纤维/树脂界面结构XPS分析  53-58
    5.1.1 试样的制备  53-54
    5.1.2 XPS结果与分析  54-58
  5.2 高模碳纤维/树脂界面结合强度  58-64
    5.2.1 微脱粘试样制备  58-59
    5.2.2 微滴实验结果与分析  59-64
  5.3 本章小结  64-65
结论  65-67
参考文献  67-72
致谢  72

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 非金属复合材料
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