臭氧改性碳纤维/氰酸酯复合材料及其电子质子辐照效应

摘要

碳纤维增强氰酸酯树脂复合材料作为一种先进的复合材料，在航空航天、军用、民用等领域有越来越重要的应用。碳纤维（CF）的表面惰性使复合材料界面粘结性能差，限制了材料综合性能的发挥。本文采用臭氧对碳纤维进行表面改性，旨在改善其复合材料界面性能，并研究了在电子质子综合辐照下，臭氧改性前后的材料的性能演化和损伤机理，为碳纤维/氰酸酯复合材料推广应用奠定理论基础和技术支持。
　　采用SEM、XPS、XRD、IR等对臭氧处理前后CF表面的形貌和化学结构进行了表征和分析，研究了不同臭氧处理工艺参数对CF表面性能的影响。结果表明，臭氧处理对CF表面有刻蚀作用，CF表面粗糙度增加，CF表面的氧元素和含氧极性官能团的相对含量增加，臭氧处理后CF表面仍为类石墨结构，CF表面的石墨化程度下降，CF表面被活化。
　　采用臭氧处理前后的CF作为增强体，氰酸酯树脂（CE）作为基体，制备CF/CE复合材料，并分别利用电子万能试验机、SEM、AFM对CF/CE复合材料的层间剪切强度（ILSS）和界面结合状况进行了表征。研究表明，臭氧处理后，复合材料ILSS值显著提高，在处理时间7min、浓度为35mg/L、温度为60℃下，ILSS达到62.91MPa，比未处理的提高了32.65％，臭氧处理后，复合材料界面的结合状况明显改善。
　　利用空间辐照综合模拟器用能量为160keV的电子和质子对CE、CF和CF/CE复合材料进行了辐照试验，对辐照前后材料的微观形貌、结构和力学性能进行了表征。研究表明，辐照主要对树脂产生的损伤较大，CE基体表面在辐照下颜色和形貌均发生变化，发生断键、碳化和交联，致使其表面化学成分和组成发生改变。辐照对CF表面形貌影响不大，CF表面的石墨化程度有所增加。CF/CE复合材料的层间剪切强度（ILSS）先随注量的增加而增加，在注量超过1×1016 e（p）/cm2后， ILSS值下降。CE、CF和CF/CE复合材料的质量损失都随注量的增加而增加后趋于平缓。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 碳纤维增强树脂基复合材料

1.3复合材料界面

1.4 综合辐照与材料相互作用和试验研究

1.5 本文主要研究内容

第2章 试验材料及研究方法

2.1 实验原料及仪器

2.2 原料的处理和制备

2.3 材料性能测试

第3章 臭氧处理对碳纤维及复合材料改性的研究

3.1 引言

3.2 臭氧处理对碳纤维表面改性的研究

3.3臭氧处理对碳纤维/氰酸酯复合材料性能的影响

3.4 本章小结

第4章 电子质子综合辐照对复合材料影响的研究

4.1 引言

4.2 电子-质子辐照对碳纤维的影响

4.3 电子-质子辐照对树脂基体的影响

4.4 电子-质子辐照对复合材料的影响

4.5电子-质子综合辐照损伤机理探讨

4.6本章小结

结论

参考文献

声明

致谢