国产碳纤维组织结构及其复合材料界面结构与性能表征

摘要

由于碳纤维具有高比强度、高比模量、耐磨、耐烧蚀、抗疲劳等优异性能，作为先进复合材料的增强纤维，在国防、航空航天、体育、交通运输等众多领域具有广泛的应用空间。经过“十五”发展，我国已能够生产性能稳定的、相当于日本T300的碳纤维GCF。
　　碳纤维的力学性能由其微观组织结构决定。本文通过XRD、Raman光谱表征了碳纤维的晶面间距d002、叠层厚度Lc及表面微晶尺寸La。随着碳纤维石墨化程度的提高，其d002减小，Lc和La增大。通过比较可得：CCF-300、ST300A两种国产碳纤维的d002大于T300，Lc及La介于T300和T700之间。
　　界面相作为复合材料基本组元之一，其结构组成与性能对材料的性能有着极其重要的影响。TDE-85环氧树脂（4，5-环氧环已烷-1、2-二甲酸二缩水甘油脂）属脂环族缩水甘油酯型的三官能度的环氧树脂，其黏度底、工艺性能良好，操作简便，无挥发味，色浅透明，是目前国内综合性能较好的新型环氧树脂。本文对连续碳纤维增强CF/TDE-85的界面结构与性能进行了研究。
　　通过SEM、XPS表征了碳纤维的表面形貌、表面化学组成和CF/TDE-85复合材料的界面结构；利用动态接触角法及微脱粘试验研究了CF/TDE-85复合材料的界面性能。结果表明：T700、T1000表面光滑。CCF-300、ST300A表面存在大量沟槽和缺陷，形貌介于T300、T800之间。T800、T1000直径小于其余四种碳纤维；上浆剂在很大程度上提高了碳纤维表面活性，但其与纤维形成的新的化学结构并不牢固，属于化学或物理的弱相互作用。碳纤维和TDE-85环氧树脂的界面上有新的不能被完全除去的化学结构出现，形成较强作用的界面，从而使其具有良好的界面性能。T300界面含氧官能团含量为45.11％，高于国产两种碳纤维的42.55%和35.25%；T系列碳纤维表面能随着表面-COOH(-COOR)含量的增加而增大，CCF-300、ST300A表面能随着表面含氧官能团含量的增加而提高；界面强度的主要影响因素是碳纤维表面的含氧官能团，表面沟槽与树脂形成机械啮合及纤维与树脂的浸润性对界面强度的贡献很小。

目录

国产碳纤维组织结构及其复合材料界面结构与性能表征

CHARACTERIZATION ON STRUCTURE OFCHINA-MADE CARBON FIBER ANDINTERFACIAL STRUCTURE AND PROPERTIE OFITS COMPOSITE

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 碳纤维

1.1.2 国内外PAN 基碳纤维的发展

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 碳纤维复合材料界面研究

1.3.1 复合材料界面的形成及结构

1.3.2 复合材料界面的作用机理

1.4 碳纤维相关性能的技术表征

1.4.1 碳纤维组织结构表征

1.4.2 碳纤维的表面形貌和性能表征

1.5 碳纤维复合材料的界面结构和性能表征

1.5.1 复合材料界面结构的表征

1.5.2 复合材料界面性能的表征

1.6 本文主要研究内容

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.2 表征方法及试样制备

2.2.1 扫描电子显微镜

2.2.2 X 射线衍射仪

2.2.3 Raman 光谱仪

2.2.4 X 射线光电子能谱仪

2.2.5 动态接触角测量仪

2.2.6 界面性能评价装置

第3 章 碳纤维表面形貌与微观组织结构研究

3.1 碳纤维形貌表征与分析

3.1.1 碳纤维表面形貌表征与分析

3.1.2 碳纤维断面形貌表征与分析

3.2 碳纤维微观组织结构表征

3.2.1 碳纤维XRD 分析

3.2.2 碳纤维Raman 光谱分析

3.2.3 碳纤维微观结构对其宏观力学性能的影响

3.3 本章小结

第4 章 碳纤维表面化学结构分析

4.1 XPS 分析测试原理

4.2 XPS试样的制备

4.3 碳纤维表面化学元素分析

4.4 碳纤维表面化学官能团分析

4.5 本章小结

第5 章CF/TED-85 界面性能分析

5.1 CF/TED-85 浸润性分析

5.1.1 接触角与浸润性

5.1.2 CF/TED-85 接触角测试分析

5.1.3 碳纤维表面能测试分析

5.2 CF/TED-85 界面强度测试与分析

5.2.1 微脱粘测试原理

5.2.2 微脱粘测试中微滴固化温度的确定

5.2.3 微脱粘测试中刀口距离的确定

5.2.4 微脱粘测试结果分析

5.2.5 CF/TDE-85 界面性能影响因素

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢