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碳纤维表面改性对其复合材料界面耐原子氧性能的研究

作　者: 郑楠
导　师: 贺金梅
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 碳纤维/环氧树脂界面原子氧自组装硅烷
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

当航天器运行在低地球轨道(LowEarthOrbit，LEO)中时，会受到空间环境中多种因素的影响，而原子氧(AtomicOxygen，AO)是其中最重要和最危险的因素，原子氧效应会影响到航天器材料的正常物理、化学性能，从而减少航天器的有效运行寿命。碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料由于其各种优异的性能被广泛地应用于航天器材料中，但作为聚合物基复合材料，其极易受原子氧侵蚀，尤其当起其外保护涂层受到原子氧破坏后，界面易受到原子氧侵蚀而使材料性能进一步下降。针对这种情况，本文提出了一种在CF表面改性以提高CF/EP复合材料界面耐原子氧性能的方法。根据碳纤维和环氧树脂的特性，文中选取了两种改性体系，分别为金/硫醇体系和羟基化表面/有机硅烷体系。研究金/芳基硫醇自组装体系改性的CF/EP复合材料界面，选择两种芳基硫醇分子对镀金后的CF表面进行自组装改性，分别为对氨基苯硫酚(ATP)和对羟基苯硫酚(HTP)。首先对镀金碳纤维进行扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线衍射(XRD)测试，结果表明：Au镀层致密均匀，且纯度很高。其次对自组装后的碳纤维进行表面增强拉曼光谱(SERS)和X-射线光电子能谱（XPS)测试，结果表明自组装分子在镀金碳纤维上发生了化学吸附。最后采用单丝拔出仪测试来研究CF/EP复合材料经原子氧暴露前后的界面剪切强度(IFSS)。结果表明：相比之下镀金后IFSS值下降，两种硫醇改性后有所增加。而且，从复合材料进行原子氧暴露处理后IFSS的变化趋势看，对于未改性的CF/EP复合材料随着原子氧暴露时间的延长，IFSS急剧下降，2h内下降幅度达12.49%；而经Au镀层保护、HTP改性以及ATP改性的IFSS值8h内下降幅度分别为6.73%、3.70%和1.28%。对原子氧暴露处理后的CF进行AFM测试也得到了相同的结论，即Au镀层以及两种芳基硫醇自组装改性都可有效地提高CF/EP复合材料界面的耐原子氧性能。研究羟基化表面/有机硅烷体系改性的CF/EP复合材料界面，选择三种有机硅烷分子对羟基化的CF表面进行改性，分别为甲基三甲氧基硅烷(MS)，γ氨丙基三乙氧基硅烷(APS)，γ(2,3环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(GPS)。首先对氧化还原后碳纤维进行XPS和表面能测试，结果表明：获得了更大覆盖度的羟基化表面。其次对有机硅烷改性后的碳纤维进行XPS、FTIR和AFM测试，结果表明三种硅烷分子都在碳纤维上发生了化学吸附。最后采用单丝拔出仪测试研究CF/EP复合材料界面其原子氧暴露前后的界面剪切强度。结果表明：得到的IFSS都有了一定程度的提高，提高顺序为：环氧基硅烷>氨基硅烷>甲基硅烷。而且，从复合材料进行原子氧暴露处理后IFSS的变化趋势看，纤维经三种硅烷改性后，其复合材料的界面剪切强度下降幅度小得多，分别为：8.45%、6.42%和5.32%，这也就说明了复合材料经有机硅烷改性后界面的耐原子氧性能提高了，其中以环氧基硅烷的效果最好。同时，原子氧暴露处理后的CF的AFM测试结果也得到此结论。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-19
  1.1 课题背景及研究目的和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状及分析  11-17
    1.2.1 碳纤维表面改性研究进展  11-12
    1.2.2 分子自组装概况  12-15
    1.2.3 原子氧效应研究进展  15-17
  1.3 本文主要研究内容  17-19
第2章实验部分  19-29
  2.1 实验原料及实验设备  19-21
    2.1.1 实验原料与药品  19-20
    2.1.2 实验设备与仪器  20-21
  2.2 碳纤维表面的分子自组装  21-25
    2.2.1 镀金碳纤维表面的有机硫醇分子自组装  21-24
    2.2.2 羟基化碳纤维表面有机硅烷改性  24-25
  2.3 改性后碳纤维环氧单丝微复合材料的制备  25
  2.4 原子氧暴露处理  25-26
  2.5 表征方法  26-29
    2.5.1 拉曼光谱表征碳纤维表面自组装膜的吸附行为  26
    2.5.2 光电子能谱表征改性碳纤维表面化学组成  26-27
    2.5.3 毛细法测量改性碳纤维表面能  27
    2.5.4 红外光谱分析  27
    2.5.5 X 射线衍射分析  27
    2.5.6 扫描电子显微镜观察纤维镀层形貌  27-28
    2.5.7 单丝微复合材料的界面剪切强度测试  28-29
第3章硫醇改性对CF/Epoxy复合材料界面耐原子氧性能影响研究  29-41
  3.1 碳纤维表面镀Au研究  29-31
    3.1.1 CF表面镀Au的形貌分析  29-31
    3.1.2 CF表面Au镀层的XRD谱图分析  31
  3.2 镀金碳纤维表面的分子自组装  31-36
    3.2.1 镀金CF表面自组装后的SEM图  31-32
    3.2.2 镀金CF表面自组装后的AFM图  32-33
    3.2.3 镀金CF表面自组装后的光电子能谱表征  33-34
    3.2.4 镀金CF表面自组装后的表面增强拉曼散射光谱表征  34-36
  3.3 CF/EP复合材料界面的耐原子氧性能的研究  36-39
    3.3.1 界面剪切强度测试  36-37
    3.3.2 原子氧暴露处理后AFM测试  37-39
  3.4 本章小结  39-41
第4章有机硅烷改性对CF/Epoxy复合材料界面耐原子氧性能影响研究  41-55
  4.1 CF表面氧化还原处理  41-44
    4.1.1 氧化和还原碳纤维的 X P S 分析  41-43
    4.1.2 氧化和还原碳纤维的表面能分析  43-44
  4.2 羟基化CF表面的有机硅烷改性  44-49
    4.2.1 CF表面有机硅烷改性的FTIR分析  44-46
    4.2.2 CF表面有机硅烷改性的XPS分析  46-48
    4.2.3 CF表面有机硅烷改性的AFM分析  48-49
  4.3 CF/ E P 复合材料界面的耐原子氧性能的研究  49-53
    4.3.1 界面剪切强度测试  49-52
    4.3.2 原子氧暴露处理后AFM测试  52-53
  4.4 本章小结  53-55
结论  55-57
参考文献  57-62
攻读硕士期间发表的论文  62-64
致谢  64

碳纤维表面改性对其复合材料界面耐原子氧性能的研究

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