TiO2/碳布多尺度构筑及其增强树脂基摩擦材料性能研究

摘要

碳布/树脂复合材料因其低密度、高比强度、高耐热性、高耐磨和可设计性强等优点，已逐步成为新型传动/制动系统材料的选择。然而，因碳纤维固有的表面光滑及活性低等特点，使得碳纤维/树脂界面脱粘、树脂剥离等成为拓展该类材料应用领域的瓶颈。解决该问题的关键在于如何高效、无损地提升碳纤维与树脂基体的结合位点，从而系统提升复合材料整体力学、热稳定性能，耐磨损性能，延长材料使用寿命，扩展其应用领域。 基于此，本课题以水热生长、溶胶-凝胶、化学接枝等方法为基础，构筑不同尺寸、不同结构、不同化学活性的Ti O 2/碳纤维多尺度碳布，随后经浸渍酚醛树脂、热压成型，制备得到碳布/树脂复合材料。本课题主要从复合材料力学性能、热稳定性能、界面特征及摩擦行为等方面系统研究多尺度增强碳布对碳布/树脂复合材料摩擦性能的影响。 （1）采用一步水热法在碳纤维原位生长均匀的TiO2纳米棒，形成TiO2纳米棒-碳布多尺度增强体，并探究了水热生长温度对碳纤维表面TiO 2纳米棒疏密度的影响。均匀Ti O 2纳米棒可显著提高碳纤维/树脂界面的机械啮合，以其增强的树脂复合材料拉伸强度增加了 84.3%，三点弯曲强度提升了73.9%，磨损率降低了56.2%，摩擦行为较为稳定。 （2）综合溶胶-凝胶法、水热原位生长等方法，成功构筑了稳定的TiO2纳米线-Ti O 2薄膜-碳纤维三元多尺度增强体。该结构可有效地减少纤维表面应力，避免因应力集中而导致界面脱粘及纤维损伤，减缓基体裂纹扩张，增强了碳纤维纤维/树脂界面的稳定性，起到稳定的增韧作用。该结构使其复合材料三点弯曲强度增加了40.0%，磨损率降低60.8%。 （3）采用水热生长、水浴接枝等方法设计了 APS-TiO2纳米棒-碳纤维多尺度增强碳布。APS-TiO2纳米棒-碳纤维实现了碳纤维/树脂界面处机械啮合与化学交联的协同增强。在碳纤维、TiO 2纳米棒及树脂之间形成均匀的高强度过渡层，进而提升了复合材料机械强度及耐磨损性能。其中材料拉伸强度提高了约 158.7%，磨损率降低了约 63.0%，且连续制动过程中稳定性明显提升。

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