基于环簇聚磷腈薄膜干涉的彩色碳纤维制备及性能研究

摘要

近年来，随着碳纤维复合材料在军民领域的应用与日俱增，国际上兴起采用结构生色技术制备结构功能一体化的彩色碳纤维的研究。结构色具有饱和度高、亮度高和不易退色等优点，解决了碳纤维由于自身表面光滑、化学惰性大等特殊的物理化学性质带来的染色困难的问题，为结构功能一体化碳纤维复合材料的开发与应用提供理论基础及技术支撑。
　　本文首先研究了以六氯环三磷腈(HCCP)与4，4'-二氨基二苯醚(ODA)为反应单体，采用原位聚合的方法将环簇聚磷腈薄膜引入到碳纤维表面，制备得到蓝色碳纤维，并深入研究了聚合时间、反应单体浓度、单体配方等对结构色碳纤维的影响，获得彩色碳纤维的优化制备工艺参数。例如，反应单体HCCP、ODA浓度分别为0.01 g/ml、0.021g/ml，HCCP中P-C1键与ODA中的-NH2的化学计量比为1∶1.25，反应时间为14h时，可制得蓝色碳纤维，颜色的连续性与均一性较好，蓝色纤维的发射光谱峰在450nm处。
　　接着，研究了反应单体比例对于碳纤维拉伸性能以及碳纤维增强树脂基复合材料界面粘结性能的影响规律，在此基础上进一步优化原位聚合改性工艺，调控彩色碳纤维表面聚磷腈膜层的表面化学性质与表面形貌，获得界面性能优良的彩色碳纤维。
　　最后，研究了彩色碳纤维的致色机理，研究了环簇聚磷腈薄膜自身在显微镜下的光学形态，验证了薄膜干涉的生色机理，即包覆在碳纤维表面的聚磷腈膜层，与自然光中的蓝光发生薄膜干涉效应，从而使蓝光反射回来，最终使得碳纤维呈现蓝色。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 结构生色

1．2．1 干涉效应

1．2．2 衍射效应

1．2．3 散射效应

1．2．4 光子晶体

1．3 结构色碳纤维的研究进展

1．3．1 结构色碳纤维的制备

1．3．2 结构色碳纤维研究需要解决的问题

1．4 磷腈及聚磷腈的研究进展

1．4．1 磷腈化合物的结构与性质

1．4．2 磷腈化合物的分类

1．4．3 磷腈材料的应用

1．5 本课题的研究意义及研究内容

1．5．1 课题的研究意义

1．5．2 课题的主要研究内容

2．1．1 实验药品

2．1．2 实验材料

2．2 测试仪器

2．3 分析测试

2．3．1 X射线光电子能谱(XPS)分析

2．3．2 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析

2．3．3 扫描电子显微镜(SEM)分析

2．3．4 超景深显微镜

2．3．5 光纤光谱仪

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 碳纤维的预处理

3．2．2 环簇聚膦腈薄膜的合成

3．2．3 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 反应时间对结构色碳纤维的影响

3．3．2 反应浓度对结构色碳纤维的影响

3．3．3 单体比例对结构色碳纤维的影响

3．4 本章小结

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 结构色碳纤维动态接触角及表面能测试

4．2．2 碳纤维单丝拉伸强度分析

4．2．3 结构色碳纤维界面强度的测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 结构色碳纤维表面能分析

4．3．2 碳纤维的单丝拉伸强度分析

4．3．3 结构色碳纤维界面性能研究

4．4 本章小结

5 结构色碳纤维致色机理研究

5．1 聚磷腈膜层的制备

5．2 聚磷腈薄膜的测试与表征

5．2．1 聚磷腈薄膜结构分析

5．2．2 聚磷腈薄膜的光学性质的分析

5．3 结果与讨论

5．3．1 聚磷腈膜层的结构分析

5．3．2 聚磷腈膜层的光学性质分析

5．3．3 基于聚磷腈致色膜层彩色碳纤维的致色机理分析

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢