玄武岩纤维表面纳米调控及其复合材料力学和摩擦磨损性能研究

摘要

玄武岩纤维具有耐摩擦、耐高温、质轻、高强度等性能优势，但玄武岩纤维表面惰性大，增强复合材料存在以下几个问题:玄武岩纤维与基体之间的界面结合力弱、改性效率低以及改性方法损伤纤维本体强度等。本文在前期研究工作的基础上，为了满足不同领域、不同工程的需要:一、通过简易高效的纤维表面上浆法，将纳米尺度的纳米二氧化硅(SiO2)、碳纳米管(CNTs)和石墨烯(GR)涂覆到微米尺度的玄武岩纤维表面，制备了多尺度纤维增强体，研究了不同纳米材料表面上浆改性后的玄武岩纤维对复合材料力学、热力学和摩擦性能的影响。二、在不损伤玄武岩纤维本体的前提下，以多巴胺为桥梁，将纳米二氧化硅(SiO2)、碳纳米管(CNT)和氧化石墨烯(GO)接枝到玄武岩纤维表面，构筑了多尺度纤维增强体，研究了不同纳米材料表面接枝改性后的玄武岩纤维对复合材料力学和摩擦性能的影响。
　　采用表面上浆改性法，以聚氨酯水溶液为上浆剂，在玄武岩纤维(BF)表面沉积黏附形貌可控的纳米二氧化硅(SiO2)、碳纳米管(CNTs)和石墨烯(GR)，通过调节纳米SiO2、CNTs和GR在上浆剂中的浓度，控制玄武岩纤维表面的纳米SiO2、CNTs和GR的含量、粒径和表面粗糙度，制备出形貌可控的（SiO2-BF、CNT-BF和GR-BF）多尺度增强体和力学与摩擦学性能优异的复合材料。与未改性的BF/PA6复合材料相比，SiO2-BF/PA6、CNT-BF/PA6和GR-BF/PA6复合材料的拉伸强度分别提高了14.6％、17.5％和18.2％;弯曲强度分别提高了18.1％、36％和34.6％;磨损率分别降低了34％、41％和42％。
　　采用化学接枝法，利用多巴胺自聚合反应生成聚多巴胺(PDA)，将聚多巴胺粘附在玄武岩纤维表面，以聚多巴胺为桥梁，通过聚多巴胺表面高含量的活性官能团，将官能化的纳米二氧化硅(SiO2)、碳纳米管(CNT)和氧化石墨烯(GO)接枝到玄武岩纤维表面，通过调节纳米SiO2、CNTs和GR的含量和反应时间，制备出形貌可控的（SiO2-PDA-BF、CNT-PDA-BF和GO-PDA-BF）多尺度增强体，复合材料的力学和摩擦学性能得到改善。与未改性的BF/PA6复合材料相比，SiO2-PDA-BF/PA6、CNT-PDA-BF/PA6和GO-PDA-BF/PA6复合材料的冲击强度分别提高了23.4％、28％和13.6％;弯曲强度分别提高了13.3％、23％和12.7％;磨损率分别降低了36％、36％和51％。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 纤维表面改性研究进展

1．2．1 玄武岩纤维简介

1．2．2 表面氧化改性纤维

1．2．3 电化学改性纤维

1．2．4 化学接枝改性纤维

1．2．5 辐照改性纤维

1．2．6 上浆涂层改性纤维

1．3 纤维表面改性增强树脂基复合材料摩擦学性能研究现状

1．4 多巴胺和纳米材料改性表面研究进展

1．4．1 多巴胺概述

1．4．2 多巴胺改性表面研究进展

1．4．3 纳米SiO2改性纤维复合材料的研究现状

1．4．4 碳纳米管改性纤维复合材料的研究现状

1．4．5 石墨烯改性纤维复合材料的研究现状

1．5 本课题的主要研究内容

第2章 实验材料和实验方法

2．1 实验原料及实验设备

2．1．1 实验原料和试剂

2．1．2 实验设备

2．2 纳米材料改性玄武岩纤维多尺度增强体的制备方法

2．2．1 纳米SiO2改性玄武岩纤维多尺度增强体的制备方法

2．2．2 碳纳米管改性玄武岩纤维多尺度增强体的制备方法

2．2．3 石墨烯改性玄武岩纤维多尺度增强体的制备方法

2．3 纳米材料改性玄武岩纤维多尺度增强尼龙6复合材料的制备

2．4 表征与测试方法

2．4．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．2 X射线光电子能谱(XPS)

2．4．3 傅立叶全反射红外(FT-IR)

2．4．4 热重分析仪(TG)

2．4．5 动态热机械分析(DMA)

2．4．6 万能电子试验机

2．4．7 三维光学轮廓仪

2．4．8 材料表面综合测试仪

第3章 纳米SiO2改性玄武岩纤维多尺度增强体及其复合材料性能研究

3．1 前言

3．2 纳米SiO2上浆法改性玄武岩纤维及其复合材料性能研究

3．2．1 纳米SiO2上浆改性玄武岩纤维表面形貌表征

3．2．2 纳米SiO2改性玄武岩纤维增强PA6复合材料的力学性能

3．2．3 纳米SiO2改性玄武岩纤维增强PA6复合材料的摩擦学性能

3．3 纳米SiO2接枝法改性玄武岩纤维及其复合材料性能研究

3．3．2 纳米SiO2接枝改性玄武岩纤维增强PA6复合材料的力学性能

3．3．3 纳米SiO2接枝改性玄武岩纤维增强PA6复合材料的摩擦学性能

3．4 本章小结

第4章 碳纳米管改性玄武岩纤维多尺度增强体及其复合材料性能研究

4．1 前言

4．2 碳纳米管上浆法改性玄武岩纤维及其复合材料性能研究

4．2．1 碳纳米管上浆改性玄武岩纤维表面形貌表征

4．2．2 CNTs上浆改性玄武岩纤维增强PA6复合材料的力学性能

4．2．3 CNTs上浆改性玄武岩纤维增强PA6复合材料的摩擦学性能

4．3 碳纳米管接枝法改性玄武岩纤维及其复合材料性能研究

4．3．1 碳纳米管接枝改性玄武岩纤维表面形貌表征

4．3．2 CNTs接枝改性玄武岩纤维增强PA6复合材料的力学性能

4．3．3 CNTs接枝改性玄武岩纤维增强PA6复合材料的热性能

4．3．4 CNTs接枝改性玄武岩纤维增强PA6复合材料的摩擦学性能

4．4 本章小结

第5章 石墨烯改性玄武岩纤维多尺度增强体及其复合材料性能研究

5．1 前言

5．2 石墨烯上浆法改性玄武岩纤维及其复合材料性能研究

5．2．1 GR石墨烯上浆改性玄武岩纤维表面形貌表征

5．2．2 GR上浆改性玄武岩纤维增强PA6复合材料的力学性能

5．2．3 GR上浆改性玄武岩纤维增强PA6复合材料的摩擦学性能

5．3 氧化石墨烯接枝法改性玄武岩纤维及其复合材料性能研究

5．3．1 GO接枝改性玄武岩纤维表面形貌表征

5．3．2 GO接枝改性玄武岩纤维增强PA6复合材料的力学性能

5．3．3 GO接枝改性玄武岩纤维增强PA6复合材料的摩擦学性能

5．4 本章小结

结论

本论文的创新点

展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文及其他成果

致谢