酚醛与端羧基丁腈橡胶复合炭化表面改性碳纤维工艺研究

摘要

CFRP领域T300级碳纤维的应用较为广泛，但是纤维本身存在与基体的粘结性差的缺点，从而导致 CFRP界面中存在较多的缺陷，常常在受力时发生界面脱粘、剥离之类的破坏，直接导致复合材料的力学性能受到严重影响，限制了碳纤维本体高性能的发挥。本文提出了一种酚醛树脂（phenol formaldehyde resin，PF）与端羧基丁腈橡胶（carboxyl-terminated butadiene-acrylonitrile rubber，CTBN）复合表面改性剂（本文中用 PF-CTBN表示）在碳纤维表面炭化改性碳纤维的方法。利用PF-CTBN炭化成孔来对碳纤维表面进行处理，目前没有其他科研单位和个人进行相关研究的报道。因此，本文的研究具有非常重要的价值。
　　本文首先研究了PF与CTBN的混合与炭化行为，确定了PF与CTBN混合的最佳比例为质量比PF：CTBN=9：1，通过热重分析、炭化后的形貌分析、炭化后的化学结构分析来研究PF-CTBN的炭化机理，以及CTBN的存在对PF炭化过程的影响。
　　本文的碳纤维的表面改性涉及到热处理，必然会对碳纤维的本体单丝拉伸强度造成影响，因此研究了不同炭化温度处理T300碳纤维的单丝拉伸强度变化，得出温度大于600oC时，碳纤维单丝强度急剧下降，当温度达到800oC时，单丝拉伸强度相比于T300下降了48.3%，本体结构遭到了剧烈的破坏，可以认为此时碳纤维已经失效，不能再作为增强体使用。因此炭化温度尽可能控制在600oC以下以保证碳纤维的本体拉伸强度。
　　为了降低PF（PF-CTBN）浓度，本文使用丁酮作溶剂溶解PF与PF-CTBN。本文分别研究了PF炭化改性碳纤维与PF-CTBN炭化改性碳纤维两种改性方法，主要探究了改性剂PF（PF-CTBN）浓度以及炭化温度对改性碳纤维性能的影响，得出在同等条件下PF-CTBN改性效果较好，最佳工艺条件为PF-CTBN浓度为1:80，炭化温度为600oC，该浓度可以保证PF-CTBN在碳纤维表面涂覆厚度适宜，该温度既可以确保PF-CTBN在碳纤维表面充分炭化而不过度，又可以确保碳纤维保持一定的本体拉伸强度。在最佳工艺条件下，界面剪切强度增大到128MPa，比T300的界面剪切强度高出36.17%。
　　本文提出的改性方法可以提高纤维与基体界面结合性能，可以最大限度地发挥增强体在复合材料中的作用。

目录

第1章 绪 论

1.1课题研究的目的及意义

1.2聚合物基复合材料界面理论研究进展

1.3碳纤维表面形态及表面改性的研究进展

1.4多孔炭材料的研究进展

1.5本文主要研究内容

第2章 试验材料与研究方法

2.1试验材料与设备

2.2工艺流程与研究方案

2.3分析方法

第3章 PF与CTBN复合表面改性剂的预处理与炭化行为

3.1引言

3.2 PF与CTBN的混合行为

3.3 PF-CTBN炭化行为

3.4本章小结

第4章 PF包覆炭化表面改性对碳纤维表面结构与性能的影响

4.1引言

4.2脱浆对碳纤维表面结构与性能的影响

4.3改性剂PF浓度对碳纤维表面PF包覆量的影响

4.4炭化温度对碳纤维表面PF残炭量的影响

4.5炭化温度对碳纤维表面化学成分的影响

4.6炭化温度对碳纤维单丝拉伸强度的影响

4.7改性剂PF改性碳纤维界面剪切强度的影响因素

4.8本章小结

第5章 PF-CTBN包覆炭化表面改性对碳纤维表面结构与性能的影响

5.1引言

5.2改性剂PF-CTBN浓度对碳纤维表面PF-CTBN包覆量的影响

5.3炭化温度对碳纤维表面PF-CTBN残炭量的影响

5.4炭化温度对碳纤维表面化学成分的影响

5.5改性剂PF-CTBN改性碳纤维界面剪切强度的影响因素

5.6本章小结

结论

参考文献

声明

致谢