γ辐照下T700碳纤维不同微区结构变化对力学性能的影响

摘要

碳纤维因其优异的力学性能在复合材料领域应用广泛。但其强度不及理论值的5％，模量不及理论值的68％，均有很大的提升空间。γ射线辐照作为高效的改性技术，可显著提高碳纤维力学性能，但其提高机理仍不明确。本课题依据碳纤维本身结构的各向异性，将T700碳纤维表面、内表层和芯部的结构性能分开进行研究，在此基础上探究γ射线辐照处理后碳纤维力学性能提高的机理。
　　在Ar和ECP中辐照处理后，碳纤维的拉伸强度、杨氏模量及断裂伸长率均有所提高。拉伸强度从4537MPa分别提高到5072MPa和5018MPa，杨氏模量从212.95GPa分别提升到238.04GPa和230.31GPa，断裂伸长率从2.67％分别提升到2.87％和3.04％。
　　辐照处理后的T700碳纤维表面粗糙度增大，表面能提高。表面Raman数据说明Ar中辐照和ECP中辐照处理后的T700碳纤维表面ID/IG都提高，纤维表面的石墨化下降，微晶直径由辐照处理前的4.726nm分别减小到4.686nm（Ar中辐照处理后）和4.564nm（ECP中辐照处理后）。XPS数据显示在ECP中辐照处理后的T700碳纤维表面含氧官能团增加，表面结构不稳定性增强，而Ar中辐照处理后的结果正好相反。Ar对碳纤维表面结构有一定的保护作用，使T700碳纤维力学性能在Ar中辐照后稍强于ECP中辐照后。
　　通过X射线衍射光谱得知，辐照处理后的T700碳纤维整体002晶面的石墨片层间距增大，半高宽减小，石墨片层厚度减小。上述表征结果和碳纤维的皮芯结构结合到一起发现在分析辐照处理后T700结构变化时，应将碳纤维分成外表面、内表层和芯部三个区域进行分析。
　　纤维截面Raman mapping结果表明，辐照前后的碳纤维均是芯部ID/IG高，内表层ID/IG呈对称性的偏低。辐照处理后T700碳纤维内表层石墨化程度提高，结晶度提高，石墨微晶直径变大。而纤维芯部石墨化程度没有明显变化。因此，辐照处理后纤维内表层的石墨微晶结构在辐照处理后变得更规整，结构更稳定。同时辐照处理后碳纤维内表层与芯部的微晶尺寸更均匀，取向度提高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究意义及研究背景

1．2 碳纤维的分类

1．2．1 粘胶基碳纤维

1．2．2 沥青基碳纤维

1．2．3 PAN基碳纤维

1．3 碳纤维的结构及性能

1．3．1 碳纤维的微观结构

1．3．2 碳纤维的性能

1．4 碳纤维力学性能改性

1．5 辐射接枝技术及其应用

1．5．1 辐射化学的基本原理

1．5．2 辐射技术的应用

1．6 辐照改性碳纤维力学性能的机理研究现状及论文的研究内容

1．6．1 辐照改性碳纤维力学性能的机理研究现状

1．6．2 论文的主要研究内容

第二章 实验材料与实验方案

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 射线源及辐照剂量的标定

2．2．2 辐照方法

2．3 碳纤维的测试与分析

2．3．1 碳纤维表面测试

2．3．2 碳纤维结构

2．4 碳纤维力学性能的测试

2．4．1 拉伸试样的制备

2．4．2 拉伸强度及拉伸模量的测试

第三章 γ辐照对T700碳纤维力学性能的影响

3．1 γ辐照对T700碳纤维拉伸强度的影响

3．2 γ辐照对T700碳纤维杨氏模量的影响

3．3 γ辐照对T700碳纤维断裂伸长率的影响

3．4 本章小结

第四章 T700碳纤维分区理论的构建

4．1 γ辐照对T700碳纤维表面形貌的影响

4．2 T700碳纤维比表面积的变化

4．3 T700碳纤维表面能的变化

4．4 T700碳纤维表面元素及官能团变化

4．5 碳纤维表面的Raman光谱研究

4．6 X射线衍射分析碳纤维内部结构的变化

4．7 辐照后T700碳纤维的分区模型

4．8 本章小结

第五章 不同区域结构变化对力学性能的影响

5．1 Raman mapping分析碳纤维内部结构的变化

5．2 γ射线辐照后碳纤维内部结构与碳纤维力学性能的关系

5．3 本章小结

结论与展望

参考文献

发表论文及参与科研情况

致谢