PBO纤维/环氧复合材料界面相的引入及对原子氧的防护

摘要

近年来，PBO纤维因具有优异的力学性能、热学性能以及化学稳定性而被广泛地用作先进复合材料的增强体。然而，由于PBO纤维表面光滑且呈化学惰性，与树脂基体之间的相容性较差，致使两者之间的界面结合强度较低，严重影响复合材料综合性能的发挥。当航天器在低地球轨道（Low earth orbit, LEO）运行时，用作结构材料的PBO纤维/环氧复合材料极易受到原子氧（Atomic oxygen, AO）的侵蚀，尤其是当表面的防护层失效之后，原子氧会与底层的环氧树脂发生相互作用，氧化形成大量缺陷，并通过这些缺陷进一步渗透到复合材料的界面区域，造成纤维增强体与树脂基体脱粘，从而导致复合材料的力学性能大幅下降。本文分别采用化学镀、低温水热法及化学接枝法，有针对性的在PBO纤维/环氧复合材料中引入镍磷合金、氧化锌纳米线（Zinc oxide nanowires,ZnO NWs）、有机硅-氧化石墨烯三种界面相，旨在同时有效解决界面结合强度较差和原子氧防护两大难题。
　　采用化学镀法对PBO纤维进行改性处理，从而在复合材料中引入镍磷合金界面相。通过改变施镀温度和时间，系统地研究了施镀工艺参数、表面形貌以及界面性能三者之间的关系。镀镍 PBO纤维表面的镀层由镍和磷两种元素组成，为典型的非晶态结构。镀镍层表面的刚性镍颗粒极大地提高了纤维表面的粗糙度，增加了其与树脂之间的接触面积，还会对外载荷产生强烈的阻碍作用，从而使复合材料的界面性能得到改善。当施镀温度为80℃、施镀时间为20min时，PBO纤维复合材料的界面剪切强度提高幅度最大，达到38.6％。与此同时，镀镍PBO纤维复合材料的耐湿热老化性能得到了较为明显的改善。随着热处理温度的升高，镀镍PBO纤维复合材料的界面剪切强度呈下降趋势。
　　结合 PBO纤维表面羧基功能化技术和低温水热法对 PBO纤维进行改性处理，从而在复合材料中引入ZnO NWs界面相。经过羧基功能化处理后，纤维表面的羧基官能团相对含量大幅提高，保证了纤维与ZnO NWs之间结合的牢固程度，能够最大幅度地提高PBO纤维复合材料的界面剪切强度。ZnO NWs在界面区域形成的强大机械锁合作用和良好浸润性是复合材料界面性能得到改善的主要原因。与未处理PBO纤维相比，生长有ZnO NWs的PBO纤维（PBO-ZnO NWs）的拉伸强度并未出现明显下降。通过改变ZnO种子溶液与生长溶液浓度的比例（[S]/[G]）和生长时间，控制纤维表面ZnO NWs的形貌，系统地研究了生长工艺参数、表面形貌以及界面性能三者之间的关系。当[S]/[G]比例为2、生长时间为4h时，PBO-ZnO NWs杂化纤维复合材料的界面剪切强度提高幅度最大，达到50.7%。与此同时，杂化纤维复合材料的耐湿热老化性能得到了小幅度的改善。
　　结合 PBO纤维表面羟基功能化技术和化学接枝法对 PBO纤维进行改性处理，从而在复合材料中引入有机硅-氧化石墨烯二元界面相。PBO纤维表面官能团的变化证实3-氨丙基-三甲氧基硅烷（APTMS）和氧化石墨烯（GO）通过化学键合作用先后成功地引入到了纤维表面，制备了一种二元接枝的多尺度增强体（PBO-APTMS-GO）。化学接枝工艺未对PBO纤维的本体强度带来明显的负面影响。与未处理PBO纤维相比，PBO-APTMS-GO二元接枝纤维复合材料的界面剪切强度提高了61.6%。氧化石墨烯表面独特的褶皱结构和丰富的极性官能团提高了纤维表面的粗糙度、浸润性及化学反应活性，因而复合材料的界面性能得到显著改善。与此同时，二元接枝纤维复合材料的耐湿热老化性能得到了极大改善。
　　采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FTIR）以及X射线光电子能谱（XPS）等测试手段，首次探讨了原子氧对PBO纤维的侵蚀行为。研究发现，随着原子氧暴露时间的延长，PBO纤维的表面形貌、结晶结构及化学组分均发生明显变化，纤维和树脂基体由于受到原子氧的轰击和氧化作用，损伤程度逐渐增加。三种界面相对PBO纤维及其复合材料均取得了较好的原子氧防护效果。经过原子氧暴露8h后，PBO-APTMS-GO二元接枝纤维及其复合材料保持了最高的拉伸强度和界面剪切强度。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2 PBO纤维的性能及应用状况

1.3 PBO纤维表面改性方法的研究进展

1.4三种界面相材料的研究进展

1.5原子氧效应的研究进展

1.6本课题的主要研究内容

第2章 实验材料与实验方法

2.1实验原料及所用仪器

2.2镀镍PBO纤维的制备

2.3 PBO-ZnO NWs杂化纤维的制备

2.4 PBO-APTMS-GO二元接枝纤维的制备

2.5 PBO纤维本体及其复合材料性能的表征

第3章 镀镍PBO纤维的制备及其复合材料界面性能的研究

3.1引言

3.2镀镍PBO纤维微观结构表征分析

3.3镀镍PBO纤维及其复合材料性能表征分析

3.4镀镍PBO纤维复合材料界面增强机制

3.5本章小结

第4章PBO-ZnO NWs杂化纤维的制备及其复合材料界面性能的研究

4.1引言

4.2PBO-ZnO NWs杂化纤维表面预处理工艺表征分析

4.3ZnO NWs生长形貌的参数控制

4.4PBO-ZnO NWs杂化纤维微观结构表征分析

4.5 PBO-ZnO NWs杂化纤维复合材料性能表征分析

4.6 PBO-ZnO NWs杂化纤维复合材料界面增强机制

4.7本章小结

第5章 PBO-APTMS-GO二元接枝纤维的制备及其复合材料界面性能的研究

5.1引言

5.2氧化石墨烯表征分析

5.3 PBO-APTMS-GO二元接枝纤维制备工艺表征分析

5.4 PBO-APTMS-GO二元接枝纤维微观结构表征分析

5.5 PBO-APTMS-GO二元接枝纤维及其复合材料性能表征分析

5.6 PBO-APTMS-GO二元接枝纤维复合材料界面增强机制

5.7三种界面相的改性效果比较分析

5.8本章小结

第6章 PBO纤维及其复合材料抗原子氧性能的研究

6.1引言

6.2 PBO纤维的原子氧侵蚀行为表征分析

6.3树脂基体的原子氧侵蚀行为表征分析

6.4三种界面相的抗原子氧侵蚀性能表征分析

6.5 PBO纤维/环氧复合材料界面相的原子氧防护机制

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