纳米相层间增韧碳纤维/环氧复合材料研究

摘要

碳纤维增强聚合物基复合材料因具有比强度高、比刚度大、可设计性强、抗疲劳性能好、阻尼性能优越等特点，已经被广泛地应用于航空航天等领域中。然而当环氧树脂作为聚合物基体时，其高度交联的网络结构使得复合材料具有较低的层间断裂韧性，常常发生分层损伤，这严重的限制了此类材料的发展和应用。目前，广泛研究的改善复合材料层间断裂韧性的方法有Z向增韧、基体增韧和层间增韧等。其中，层间增韧方法由于能够在不改变原有工艺的情况下，大幅提升复合材料的层间断裂韧性获得了最多的重视。因此，本文选择了三种不同的层间增韧材料来研究碳纤维/环氧复合材料的断裂韧性，意在不影响复合材料其他性能甚至同步提高复合材料强度的同时，达到显著増韧的目的。
　　通过将尼龙66(PA66）纳米纤维膜嵌入聚己内酯(PCL）基体制备成PA66/PCL复合独立薄膜，将其作为层间材料来改善碳纤维环氧（CF/EP）复合材料的层间断裂韧性，研究发现PA66/PCL复合独立薄膜使得复合材料的I和II型层间断裂韧性分别提高了98％和101％。此外，PA66纳米纤维和PCL的组合对复合材料的层间断裂韧性具有协同作用，相比于单独的PA66和PCL材料，其增韧效果显著提高。实验结果还表明，PA66/PCL增韧不会对复合材料的弯曲性能和耐热性能产生显著影响。
　　采用真空过滤方法制备一种新型三明治结构碳纳米管/聚砜（CNT/PSF）韧性纸。在将其引入层压板前，先对羧基化碳纳米管（CNT-COOH），聚砜（PSF）和环氧树脂（EP）组成的三元体系进行了研究。结果表明，引入 CNT-COOH不会改变 EP/PSF体系的相分离机理，但却会对相分离速率及最终相形态产生重要影响，并且 CNT-COOH表现为在环氧相中选择性分布。此外，引入CNT-COOH使EP/PSF体系的拉伸强度、杨氏模量和韧性等得到显著改善。基于以上结果，引入CNT/PSF韧性纸作为复合材料的层间增韧材料，结果显示，5%CNT/PSF和10%CNT/PSF可使复合材料的 I型层间断裂韧性分别提高41%和53%。同时， II型层间断裂韧性也相应提高了25%和34%。此外，加入5%CNT/PSF能够使复合材料的弯曲强度和模量分别提高19%和8%，同时10％CNT/PSF增韧复合材料的弯曲强度和模量也分别提高了27%和29%。
　　通过低温水热法在碳纤维表面制备具有高度取向性、垂直排列的氧化锌纳米线（ZnO NW）。随着氧化锌生长反应的进行，ZnO NW的长度和直径都相应增加。层间断裂韧性分析结果显示，ZnO NW生长过程进行4h和10h后复合材料的 I型层间断裂韧性分别提高43%和55%。从材料断裂表面 SEM图中观察到碳纤维与氧化锌之间粘结性较差，多数氧化锌在裂纹扩展过程中脱落。针对此问题，对碳纤维表面进行多巴胺功能化，在其表面生成聚多巴胺（PDA）层进而增强ZnO NW与CF之间界面的粘结性。以此为基础，制备CF/PDA/ZnO NW杂化材料。这种杂化材料能够使复合材料的I和II型层间断裂韧性分别提高63％和22％，同时，复合材料的弯曲强度和模量均提高了9％。

目录

第1章 绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2碳纤维/环氧复合材料增韧方法

1.3氧化锌纳米线在复合材料中的研究进展

1.4本课题的主要研究内容

第2章 实验材料与实验方法

2.1实验所用材料及仪器

2.2层间增韧材料的制备方法

2.3碳纤维及其复合材料性能的表征

第3章 PA66/PCL复合薄膜层间增韧碳纤维/环氧复合材料性能研究

3.1引言

3.2 PA66纳米纤维膜层间增韧复合材料性能研究

3.3 PA66/PCL复合薄膜层间增韧复合材料性能研究

3.4本章小结

第4章 CNT/PSF三明治结构韧性纸层间增韧碳纤维/环氧复合材料性能研究

4.1引言

4.2 EP/PSF/CNT三元体系复合材料的性能研究

4.3 CNT/PSF三明治结构韧性纸层间增韧复合材料研究

4.4 本章小结

第5章 氧化锌纳米线增韧碳纤维/环氧复合材料的研究

5.1引言

5.2碳纤维表面原位生长氧化锌纳米线对复合材料性能的影响

5.3 碳纤维表面多巴胺改性后生长氧化锌纳米线对复合材料性能的影响

5.4本章小结

结论

创新点

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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