静电纺丝制备PSF/MNNTS-Epoxy杂化纳米纤维同步增强增韧CFR实现机制的研究

摘要

CFRP复合材料在航天航空领域的广泛应用要求其具有良好的强度及韧性，然而热塑性塑料粒子或胶膜的层间增韧方式难以实现其强度及韧性的同步提高。本文通过将MWNTs的官能化改性制备了MWNTs-Epoxy，以CFRP预浸料贴附的高速转动辊筒作为静电纺丝接收装置，制备了MWNTs-Epoxy高度取向的PSF/MWNTs-Epoxy杂化纳米纤维膜，作为层间夹层用于同步增强增韧CFRP复合材料。本文考察了MWNTs的纯化和官能化改性效果，研究了不同MWNTs-Epoxy含量对PSF/MWNTs-Epoxy杂化纳米纤维膜微观形貌的影响，并讨论了杂化纳米纤维膜对复合材料力学性能影响以及同步增强增韧机理。
　　 1、利用纯化、混酸化、环氧化等手段制备MWNTs-Epoxy。纯化过程除去了MWNTs表面的无定形碳、金属杂质及碳纳米颗粒。官能化MWNTs-Epoxy的环氧基团接枝率为24.87％。MWNTs-Epoxy在静电纺丝液中分散良好，静电纺丝液的表面张力以及电导率随MWNTs-Epoxy含量的增加而提高。
　　 2、随着MWNTs-Epoxy含量的升高，PSF/MWNTs-Epoxy杂化纳米纤维的直径逐渐减少，PSF/MWNTs-Epoxy杂化纳米纤维以及嵌于其内部的MWNTs-Epoxy的取向度逐渐提高。MWNTs-Epoxy良好的分散于PSF/MWNTs-Epoxy杂化纳米纤维轴向位置。
　　 3、与无规取向PSF/MWNTs-Epoxy杂化纳米纤维相比，具有高度取向的MWNTs-Epoxy的PSF/MWNTs-Epoxy杂化纳米纤维对CFRP复合材料同步增强增韧效果更加明显。与未增强增韧的CFRP复合材料相比，CFRP复合材料的弯曲强度、弯曲模量、层间剪切强度和Ⅱ型层间断裂韧性分别增加了120.71％，150.70％，7.20％以及214.28％。MWNTs-Epoxy与CFRP树脂基体具有良好的化学界面结合，可以有效地传递内部应力载荷。扫描电镜(SEM)观察显示，MWNTs-Epoxy在裂纹扩展中的自身弯曲形变、从基体脱落、对裂纹的钉锚以及PSF微球冷拉变形过程对能量的传递和吸收，导致基体内部裂纹发生有效偏转或终止，这四相之间良好相互作用是PSF/MWNTs-Epoxy杂化纳米纤维同步增强增韧CFRP复合材料的主要原理。

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摘要

符号说明

第一章 绪论

1.1 环氧树脂

1.1.1 环氧树脂综述

1.1.2 环氧树脂增韧

1.2 碳纳米管

1.2.1 碳纳米管综述

1.2.2 碳纳米管在聚合物基体中的分散

1.2.3 碳纳米管-聚合物相互作用

1.2.4 碳纳米管-聚合物复合材料机械性能

1.3 碳纤维增强环氧树脂复合材料(CFRP)

1.3.1 碳纤维增强环氧树脂复合材料(CFRP)综述

1.3.2 碳纤维增强环氧树脂复合材料(CFRP)增韧

1.3.3 碳纳米管增强CFRP复合材料

1.4 静电纺丝技术

1.4.1 静电纺丝技术综述

1.4.2 静电纺丝技术在增强复合材料力学性能方面中的应用

1.5 本文主要研究内容及意义

第二章 高度取向PSF/MWNTs-Epoxy杂化纳米纤维的制备

2.1 实验部分

2.1.1 实验原料

2.1.2 实验设备

2.1.3 MWNTs官能化改性

2.1.4 静电纺丝制备PSF/MWNTs-Epoxy杂化纳米纤维

2.1.5 表征及测试方法

2.2 结果与讨论

2.2.1 MWNTs官能化改性

2.2.2 静电纺丝制备PSF/MWNTs-Epoxy杂化纳米纤维

2.3 小结

第三章 PSF/MWNTs-Epoxy杂化纳米纤维同步增强增韧CFRP复合材料

3.1 实验部分

3.1.1 实验原料

3.1.2 实验设备

3.1.3 CFRP复合材料的制备

3.1.4 表征及测试方法

3.2 结果与讨论

3.2.1 PSF/MWNTs-Epoxy杂化纳米纤维同步增强增韧CFRP复合材料弯曲性能研究

3.2.2 PSF/MWNTs-Epoxy杂化纳米纤维同步增强增韧CFRP复合材料层间剪切性能研究

3.2.3 PSF/MWNTs-Epoxy杂化纳米纤维同步增强增韧CFRP复合材料Ⅱ型层间断裂韧性研究

3.2.4 PSF/MWNTs-Epoxy杂化纳米纤维同步增强增韧CFRP复合材料断裂面SEM研究

3.2.5 PSF/MWNTs-Epoxy杂化纳米纤维同步增强增韧CFRP复合材料机理研究

3.3 小结

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

导师和作者简介

北京化工大学硕士研究学位论文答辩委员决议书