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《哈尔滨工业大学》 2017年
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纳米相层间增韧碳纤维/环氧复合材料研究

郑楠  
【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%。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB332

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