碳纤维表面氧化行为及其对碳纤维增强树脂基复合材料性能的影响

摘要

未经处理的碳纤维表面呈现惰性，无法与树脂基体形成牢固的界面结合，因此碳纤维的表面氧化改性一直受到人们的高度关注。本文利用扫描电镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱仪、拉曼光谱仪、旋转流变仪等检测手段系统地研究了碳纤维在空气和HNO3/H2SO4混合酸中的氧化机理，制备了碳纤维增强环氧树脂基复合材料和碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料，并探讨了两种碳纤维的表面氧化方法对碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响，结论如下:
　　(1)在空气氧化过程中，氧化温度的提高有利于碳纤维表面的-(C)-OH基团转变为(C)=O和-COOH基团，但对-CO32-基团含量影响不大。
　　(2)在HNO3/H2SO4混合酸的氧化过程中，在氧化时间从1min升至30min时，碳纤维表面刻蚀程度不断加深。氧化处理30min时，碳纤维的表面粗糙度Ra从9.5nm提高到25.4nm。碳纤维的表面自由能随氧化处理时间延长而增加，处理15min后变化不明显。
　　(3)在HNO3/H2SO4混合酸的氧化过程中，S-、N-含氧基团为过渡官能团最终转变为-COOH，当氧化时间为15min时，-COOH的浓度达到最大值。
　　(4)当空气氧化温度从400℃升高到600℃，环氧树脂基复合材料的层剪切强度先增大后减小。当氧化温度为550℃时达到最大值，相比于未经过氧化处理的试样，层剪切强度从20.3MPa提高到36.9MPa。
　　(5)根据聚酰亚胺不同升温速率下的DSC曲线，由Kissinger法和Ozawa法计算得到聚酰亚胺的的平均反应活化能E为118.188KJ/mol，平均反应级数n为0.932,得到了聚酰亚胺的固化动力学方程为:dα/dt=1.3648×107e-118.188T/8.314(1-α)0.932确定了最终固化温度为340℃，并且获得聚酰亚胺固化转变的TTT（时间-温度-固化度）图。
　　(6)随着HNO3/H2SO4混合酸氧化处理时间的延长，碳纤维增强树脂基复合材料的层剪切强度先增大后减小，在15min时达到最大值，碳纤维增强环氧树脂基复合材料从未处理时的67.5MPa提高到87.8MPa，碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料从20.3MPa增加到38.8MPa。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 碳纤维及其复合材料研究现状

1．2．1 碳纤维的性质及结构

1．2．2 碳纤维的研究现状及发展趋势

1．2．3 碳纤维增强树脂基复合材料的研究现状及发展趋势

1．3 碳纤维增强树脂基复合材料的界面研究

1．4 碳纤维表面改性的研究现状

1．5 碳纤维增强树脂基复合材料的成型

1．6 研究的目的及主要内容

第二章 研究方案与方法

2．1 研究路线

2．2 实验材料

2．3 材料制备

2．3．1 碳纤维的氯化

2．3．2 复合材料预浸料制备

2．3．3 热压法制备复合材料

2．4 性能检测

2．4．1 扫描电镜观察

2．4．2 原子力显微镜(AFM)观察

2．4．3 表面自由能测试

2．4．4 拉曼光谱(RAM)测定

2．4．5 X射线电子能谱测试(XPS)

2．4．6 热性能测试

2．4．7 粘-温性能测试

2．4．8 凝胶时间的测定

2．4．9 力学性能测试

第三章 碳纤维表面氧化作用机理分析

3．1 表面清洗对碳纤维的影响

3．1．1 清洗对质量损失及形貌的影响

3．1．2 清洗对表面化学性质的影响

3．2 空气氧化对碳纤维的影响

3．2．1 空气氧化对质量损失和表面形貌的影响

3．2．2 空气氧化对碳纤维表面化学性质的影响

3．2．3 空气氧化对复丝拉伸性能的影响

3．2．4 空气氧化处理碳纤维的作用机理

3．3 浓硫酸／浓硝酸表面处理对碳纤维性能的影响

3．3．1 混酸氧化对质量损失和表面形貌的影响

3．3．2 混酸氧化对碳纤维表面化学性质的影响

3．3．3 混酸氧化对复丝拉伸的影响

3．3．4 浓硫酸／浓硝酸氧化机理

3．4 本章小结

第四章 碳纤维表面氧化对树脂基复合材料力学性能的影响

4．1 碳纤维增强环氧树脂复合工艺的制定

4．1．1 E-44环氧树脂固化剂的最佳用量

4．1．2 环氧树脂的热性能

4．1．2 环氧树脂的粘温特性

4．1．4 环氧树脂的凝胶时间

4．1．5 热压工艺制度的确定

4．2 碳纤维的表面氧化对环氧树脂基复合材料力学性能的影响

4．3 碳纤维增强聚酰亚胺复合工艺的制定

4．3．1 溶剂的最佳含量

4．3．2 聚酰亚胺的粘温特性

4．3．3 聚酰亚胺的固化动力学研究

4．3．4 聚酰亚胺凝胶时间的测定

4．3．5 聚酰亚胺树脂固化制度的制定

4．4 碳纤维的表面氧化对聚酰亚胺树脂基复合材料力学性能的影响

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢