POSS改性碳纤维及其对CF/UPR复合材料界面性能的影响

摘要

本文以碳纤维增强不饱和树脂（CF/UPR）复合材料为研究对象，分别采用上浆涂覆和化学接枝的方法将不同种类的多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）纳米粒子引入到复合材料的界面相，改善界面的粘结性能，提高复合材料的力学性能。
　　对于上浆涂覆方法，分别选取四种不同性质的POSS纳米粒子对碳纤维表面进行上浆涂覆处理，通过对上浆后碳纤维的表面形貌、表面粗糙度、纤维表面能和复合材料的界面性能以及力学性能的实验发现，含极性多官能度的Methacryl POSS使复合材料界面性能提高幅度最大。进而将Methacryl POSS和环氧树脂体系制成上浆涂层对碳纤维进行改性处理，发现该涂层进一步增加了复合材料的界面粘结性能，层间剪切强度比未处理样品提高了28％。
　　在纤维表面采用化学接枝的方法分别将含强极性磷酰氯基团的螺环磷酸酯（SPDPC）和空间立体结构的POSS纳米粒子接枝到碳纤维表面，发现两者均可以提高树脂对纤维的浸润性和复合材料界面结合性能。采用SEM、AFM、浸润仪和万能试验机对碳纤维表面及其复合材料性能进行表征，发现化学接枝方法通过改变纤维表面粗糙度，增加复合材料界面处的空间机械锁合作用，提高了复合材料的界面结合性能。
　　采用偶联剂分别将含有单官能度和多官能度 POSS接枝到碳纤维表面，通过纤维表面形貌、纤维表面粗糙度以及纤维表面能的测试发现，两种 POSS接枝后对纤维表面的作用效果基本相同，通过复合材料的层间剪切强度和界面剪切强度发现，多官能度POSS对复合材料界面性能贡献高于单官能度POSS，层间剪切强度和界面剪切强度分别提高了8.0%和6.9%。原因是多官能度POSS一方面增加了碳纤维表面能和纤维表面粗糙度，另一方面在复合材料界面处引入化学键合作用。
　　将不同比例的Methacryl POSS与不饱和树脂体系物理机械混合后制备树脂浇铸体后测试其拉伸强度，发现适当比例的Methacryl POSS（5 wt%）可以提高树脂体系的拉伸强度。同时含5 wt% Methacryl POSS的不饱和树脂体系反应动力学分析，表明Methacryl POSS可以参与树脂体系固化交联反应，并促进树脂体系的固化反应，进而降低了树脂体系固化反应活化能。
　　将添加5 wt% Methacryl POSS的不饱和树脂与碳纤维进行复合，测试复合材料的层间剪切强度，发现复合材料的层间剪切强度下降，表明直接向树脂中添加含有不饱和双键 POSS能适当增加树脂的拉伸强度，但对碳纤维复合材料的界面性能不利。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 不饱和聚酯树脂的研究进展

1.3 碳纤维表面改性研究进展

1.4 多面体低聚倍半硅氧烷的研究进展

1.5本文的主要研究内容

第2章 实验材料及实验方法

2.1材料及主要设备

2.2碳纤维表面涂敷改性

2.3碳纤维化学改性处理

2.4 碳纤维性能表征

2.5 CF/UPR复合材料界面性能表征

2.6 POSS/UPR浇铸体性能表征

第3章 POSS涂层对碳纤维表面及复合材料界面性能的影响

3.1四种POSS该项碳纤维及其对复合材料界面性能影响

3.2 POSS/Epoxy共同作用对CFs表面及其复合材料界面性能影响

3.3 本章小结

第4章 Amino-POSS化学接枝对碳纤维及复合材料界面性能的影响

4.1纤维表面接枝Amino-POSS工艺的确定

4.2 Amino-POSS接枝对纤维表面的影响

4.3 Amino-POSS接枝对纤维单丝强度的影响

4.4 Amino-POSS接枝对复合材料界面性能的影响

4.5 Amino-POSS接枝对复合材料冲击性能的影响

4.6 Amino-POSS接枝对复合材料界面微区的相对模量的影响

4.7 本章小结

第5章 化学接枝不同官能度POSS对碳纤维及其复合材料界面性能的影响

5.1碳纤维表面接枝不同官能度POSS

5.2接枝不同官能度POSS对纤维单丝强度的影响

5.3接枝不同官能度POSS对复合材料界面性能的影响

5.4接枝不同官能度POSS对复合材料冲击性能的影响

5.5接枝不同官能度POSS对复合材料界面微区的相对模量的影响

5.6 本章小结

第6章 多官能度POSS对UPR反应性及其复合材料的影响

6.1多官能度POSS对UPR拉伸强度的影响

6.2 反应动力学理论基础

6.3 纯不饱和树脂体系反应活化能研究

6.4 Methacryl POSS对不饱和树脂体系反应活化能研究

6.5 含多官能度POSS不饱和树脂对复合材料层间剪切性能的影响

6.6 本章小结

结论

创新点

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历