γ射线辐照下碳纤维沿径向不同微区结构演化及其表面特性与力学性能研究

摘要

碳纤维以其高强度高模量等优异的力学性能在复合材料中应用广泛。但是，其力学性能仍有巨大的提升空间。同时碳纤维表面惰性强，与复合材料基体的界面粘接性差，严重影响了复合材料的界面性能，限制了碳纤维的广泛应用。γ射线辐照作为一种高效、环保和低成本的改性技术，既可以增强碳纤维本体的力学性能又可以提高纤维的表面粘结性能，受到人们的高度关注。然而，γ辐照下碳纤维表面特性以及力学性能的演化机制仍不清楚。本文通过构建外表面、次表层和芯部的分区结构模型探讨了γ射线辐照下高强T1000和通用型T700碳纤维沿径向不同微区结构的演化规律，同时结合应力分析和机械模型定量地探讨了γ辐照下T700碳纤维外表面、次表层以及芯部的不同微区结构演化与其表面特性和力学性能之间的关系。
　　T1000碳纤维在氩气、空气和环氧氯丙烷中辐照处理后拉伸强度以及杨氏模量均有所提高。拉伸强度分别提高了14.7％、14.4％和12.4％，杨氏模量提高了16.4％、15.6％和13.4％。采用X射线光电子能谱(XPS)和表面能测试对T1000碳纤维外表面进行研究。结果表明，在环氧氯丙烷中辐照后纤维表面的O/C值从0.1056提高到0.2728，提高了158.3％，羧基和羰基官能团明显增加，表面能提高了48.3％。X射线衍射(XRD)测试则发现，不同辐照介质处理的T1000碳纤维内部整体的石墨片层间距d002减少，纤维的平均石墨化程度提高。通过截面Raman测试发现，辐照后T1000碳纤维次表层ID/IG值变化比芯部更为明显。T700碳纤维在氩气和环氧氯丙烷中辐照处理后外表面、次表层和芯部的结构和力学性能演化与T1000碳纤维类似。同时，在环氧氯丙烷中辐照处理后的T700碳纤维复合材料界面剪切强度(IFSS)提高了75.03％。通过扫描电子显微镜(SEM)观察纤维在环氧氯丙烷中辐照后的外表面沟槽更加清晰。
　　为研究γ辐照下T700碳纤维不同微区结构与其表面特性及力学性能之间的关系，采用X射线光电子能谱结合原位的氩离子溅射、截面Raman、应力分析和机械模型进行分析。结果表明，辐照介质仅对T700碳纤维外表面(～12nm)有重要影响，含氧官能团插层接枝到纤维外表面的石墨片层，破坏了纤维外表面结构，提高了外表面活性，而次表层(1.5μm)石墨烯片层之间共价交联结构的形成可能是辐照后T700碳纤维力学性能提高的主要原因。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 碳纤维的分类及微观结构

1．2．1 碳纤维的分类

1．2．2 碳纤维的微观结构

1．3 碳纤维表面与本体改性方法概况

1．3．1 碳纤维表面改性

1．3．2 碳纤维本体改性

1．4 辐射技术及其应用

1．4．1 辐射的基本原理

1．4．2 辐射技术的应用

1．4．3 辐射技术的优越性

1．5 γ辐射改性碳纤维研究现状及本论文研究内容

1．5．1 γ辐射改性碳纤维研究现状

1．5．2 论文的主要研究内容

第二章 实验材料及实验方法

2．1 实验原材料及实验设备

2．1．1 主要原材料

2．1．2 实验设备

2．2 碳纤维的辐照处理

2．2．1 γ射线辐照源简介

2．2．2 碳纤维表面预处理

2．2．3 辐照实验

2．3 碳纤维测试与表征

2．3．1 碳纤维表面性能分析

2．3．2 碳纤维单丝拉伸拉伸强度以及模量测试

2．3．3 单丝破碎法表征复合材料界面性能

2．3．4 碳纤维结构分析及测试

第三章 γ辐照对T1000碳纤维结构及力学性能的影响

3．1 γ辐照对T1000碳纤维微观结构的影响

3．1．1 T1000碳纤维的XRD表征

3．1．2 T1000碳纤维的表面Raman表征

3．1．3 T1000碳纤维截面Raman表征

3．1．4 T1000碳纤维的XPS表征

3．1．5 T1000碳纤维的表面能分析

3．1．6 T1000碳纤维沿径向不同微区结构演化

3．2 γ辐照对T1000碳纤维力学性能的影响

3．3 γ辐照下T1000碳纤维不同微区结构演化与表面及力学性能的关系

3．4 本章小结

第四章 γ辐照对T700碳纤维结构及力学性能的影响

4．1 γ辐照对T700碳纤维的微观结构的影响

4．2 γ辐照下T700碳纤维外表面、次表层和芯部的结构演化

4．3 γ辐照对T700碳纤维表面以及力学性能的影响

4．3．1 γ辐照对T700碳纤维力学性能的影响

4．3．2 γ辐照对T700碳纤维表面特性的影响

4．4 本章小结

第五章 γ辐照下T700碳纤维表面特性及力学性能的演化规律

5．1 γ辐照下T700碳纤维的表面特性

5．2 γ辐照下T700碳纤维力学性能的演化

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

论文及参加科研情况

致谢