碳纤维表面改性及其增强石英复合材料制备与性能研究

摘要

Cf/SiO2复合材料在理论上具有热导率低、耐高温性能优异、耐烧蚀、密度低、高温力学性能好的优点，在高温材料领域具有非常好的发展前景。本论文针对采用溶胶凝胶法制备复合材料时，二氧化硅溶胶与碳纤维表面不浸润的问题，开展了对碳纤维表面改性方法的研究，并使用改性后的碳纤维为原料通过溶胶凝胶法制备复合材料。
　　首先，实验研究了两种氧化方法对碳纤维表面结构的影响，并分析其对纤维力学性能的影响及作用机理。结果表明，氧化法能明显改善纤维表面的浸润性。该法能增多纤维表面的官能团，并对纤维表面产生刻蚀作用，使纤维表面产生沟壑。结果表明，采用450℃氧化碳纤维，氧化反应发生较为剧烈，同时，纤维表面微晶被氧化为细晶，活性比表面积增大，纤维表面浸润性改善明显。
　　第二，在上述氧化纤维基础上，探索了高温热处理对碳纤维的影响。实验通过对比空气氧化纤维在热处理后的形貌、组成、比表面积和浸润性，发现高温热处理会使纤维表面不浸润，因为高温下碳纤维碳化表面官能团脱去水分子，且碳原子发生重排，形成六元环结构，使纤维不亲水，同时，水分子逸出时在纤维表面留下孔洞，对纤维强度造成损伤。
　　第三，采用溶胶凝胶法，使用氧化前后的纤维经多次氧化-浸渍-烧结反应制备Cf/SiO2复合材料，研究了复合材料的性能，并对复合材料的结构、物相进行评价，分析了复合材料在高温下碳热还原反应的发生情况。
　　最后，分析了制备工艺，包括纤维表面处理、烧结工艺和纤维体积分数对复合材料性能的影响。结果表明，在纤维能够承受的范围内，使用过高的烧结温度会导致复合材料中缺陷增多，纤维性能下降。纤维编织物较疏松有利于溶胶对预浸布的浸润，控制纤维体积分数，使其在一定区间内，可以得到性能较高的复合材料。基体并不致密，不能有效保护纤维不被氧化，需要对纤维进行抗氧化处理或对工艺进一步优化使材料致密。对碳纤维进行表面氧化改性处理后，Cf/SiO2复合材料的性能有良好的提升，复合材料的抗弯强度与弹性模量都得到较大的提升，碳纤维对石英基体有良好的增强增韧效果。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 选题依据及研究内容

第二章 实验部分

2.1 实验方法和工艺

2.2 实验原料和仪器

2.3 碳纤维表面处理及效果评价

2.4 复合材料制备及测试

第三章 碳纤维表面处理与硅溶胶特性研究

3.1 除胶温度对碳纤维的影响

3.2 气相氧化处理对碳纤维的影响

3.3 液相氧化处理对碳纤维的影响

3.4 热处理对碳纤维表面的影响

3.5 硅溶胶无机化过程研究

3.6 C-SiO2化学相容性分析

3.7 本章小结

第四章 Cf/SiO2复合材料制备与性能研究

4.1 纤维表面处理对复合材料的影响

4.2 烧结工艺对复合材料结构和性能的影响

4.3 纤维体积分数对复合材料性能的影响

4.4 本章小结

结 束 语

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果