“龟裂”TiO2纳米纤维片的可控制备及其对复合材料层间断裂韧性的影响

摘要

层间性能薄弱是制约复合材料层合板在高负载条件下应用的瓶颈因素之一。本课题制备出一种呈“龟裂”状的无机纳米纤维片，这种形态的纳米纤维片具有比表面积大，空间自由度高和片状多孔多缝隙的特点。本课题探索了能够稳定可控地制备“龟裂”状的TiO2纳米纤维片的工艺参数，以玻璃片为收集基体，以PVAc/TiO2作为前驱体溶液进行纺丝，高温煅烧除去其中的PVAc成分，制备出沉积在玻璃片上的龟裂状TiO2纳米纤维片。实验分析了TiO2溶胶液浓度，静电纺丝电压强度，蒸汽处理时间和纺丝时间、煅烧温度等对于龟裂片的纤维结构和龟裂状态的影响，统计了龟裂片的大小和裂痕区域的百分比。研究了各纺丝工艺参数对最终形成的龟裂状TiO2纳米纤维片形貌的影响。较低浓度的TiO2溶胶液不能够进行纺丝，20.8％浓度的TiO2溶胶液是纺丝的适宜浓度。纺丝电压为25kV时可以得到纤维状态良好，龟裂膜面清晰的纤维膜。纺丝时间越长，经过高温煅烧得到的龟裂纤维膜的平均龟裂区块的面积越大，裂缝区域面积百分率越大，且薄膜较薄时不发生龟裂。蒸汽熏蒸时间越长，经过煅烧后的到的龟裂片受约束程度越高。研究了随着煅烧温度的升高，龟裂形貌的发展趋势，并用多种测试手段（TG-DSC、FTIR和XRD）辅助进行研究。
　　本课题还对改性后和未改性的复合材料层间断裂韧性GIC的值进行了测试。探索了能使龟裂纳米纤维片在玻纤布表面稳固附着的方法，实验证明，在纺丝前对接收玻纤布表面涂覆多元酯溶液，接收完成后对其进行水蒸气熏蒸处理的方法可以获得在玻纤布表面有良好的附着力的龟裂纤维片，之后的微观形貌分析也证明了该种处理方法得到的龟裂纤维片可以承受树脂流动的冲击作用。通过真空导入工艺制备出中间层含有表面沉积有龟裂纳米纤维片的玻纤布的层合板，并对材料的层间断裂韧性GIC的值进行了测试，与层间未含有龟裂纳米纤维片的空白样相比，层间含有纺丝3h得到的龟裂TiO2纳米纤维片增韧的复合材料层合板的平均GIC提高了92.07％，并对其断裂面的形貌做了分析。本课题还分析了空白试样和改性试样的裂纹传播路径，空白试样的断裂面相对比较平整，而经过龟裂纤维片改性的试样，裂纹传播呈折线，相对较为曲折。测试了层间含有不同厚度的裂TiO2纳米纤维片增韧的复合材料层合板的层间断裂韧性，结果显示随着龟裂纤维片厚度的增加，层合板的Ⅰ型层间断裂韧性GIC呈上升趋势。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 复合材料层合板简介

1．1．1 复合材料分类

1．1．2 玻璃纤维复合材料

1．1．3 层合板复合材料的分层破坏

1．1．4 复合材料层合板层间强度的改善方法

1．2 纳米纤维膜增韧复合材料层合板

1．3 静电纺丝技术制备无机纳米纤维

1．4 龟裂纳米纤维片

1．5 本课题的研究内容和意义

第二章 “龟裂"TiO2纳米纤维片制备

2．1 引言

2．2 实验步骤和过程

2．2．1 实验药品

2．2．2 实验仪器

2．2．3 用于静电纺丝的PVAc／TiO2杂化溶胶纺丝液配制

2．2．4 静电纺丝制备PVAc／TiO2杂化纳米纤维膜

2．2．5 煅烧前处理(蒸汽)

2．2．6 高温煅烧

2．2．7 测试与表征

2．3 结果与分析

2．3．1 热效应对龟裂TiO2纳米纤维片的影响

2．3．2 TiO2组分含量对最终龟裂TiO2纳米纤维片形貌的影响

2．3．3 纺丝电压对最终龟裂TiO2纳米纤维片形貌的影响

2．3．4 纺丝时间对最终龟裂TiO2纳米纤维片形貌的影响

2．3．5 蒸汽处理时间对最终龟裂TiO2纳米纤维片形貌的影响

2．3．6 龟裂机理

2．4 本章小结

第三章 层间含有“龟裂”TiO2纳米纤维片的复合材料层合板的Ⅰ型层间断裂韧性

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料及试剂

3．2．2 实验仪器

3．2．3 用于静电纺丝的PVAc／TiO2杂化溶胶纺丝液配制

3．2．4 静电纺丝制备PVAc／TiO2杂化纳米纤维膜

3．2．5 煅烧前处理

3．2．6 高温煅烧

3．2．7 层间含有龟裂纳米纤维片的复合材料层合板制备

3．2．8 Ⅰ型层间断裂韧性测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 龟裂纳米纤维片的表面沉积

3．3．2 玻纤布表面的纳米纤维片的微观形貌

3．3．3 DCB层间断裂韧性试验结果和R曲线

3．3．4 层合板的断裂面的形貌

3．3．5 层合板的裂纹传播路径

3．3．6 层间的龟裂纳米纤维片形貌

3．3．7 龟裂纤维片的厚度与层间断裂韧性的关系

3．4 小结

第四章 总结与展望

4．1 本课题的主要研究成果

4．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢