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《上海交通大学》 2011年
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“球—棒”状短碳纤维复合增强体设计及其环氧树脂基复合材料性能研究

李微微  
【摘要】:短碳纤维是一种重要的复合材料增强体,短碳纤维增强环氧树脂基复合材料由于成本低廉以及良好的加工成型性,在国民工业各领域得到广泛的应用。但碳纤维与树脂基体结合较弱,并且由于长度的原因,短碳纤维端部容易引起应力集中,诱发基体裂纹的产生而导致材料失效。近年来,科学家们通过短纤维的形态设计来解决由于纤维长度以及与基体结合较弱所导致的材料性能提高受限的问题,已取得一定的成果,但在短纤维的选择以及复杂结构短纤维的制备技术上都存在着很大的局限性。因此,开展短纤维结构设计、制备与提高材料性能相结合的工作对于短纤维增强树脂基复合材料的应用具有重要的意义。 本文以短碳纤维的结构设计及其环氧树脂基复合材料的性能提高为目标,兼顾氧化改性在碳纤维表面引入活性官能团来改善复合材料界面结合的优点,同时在碳纤维表面电沉积具有一定间距的金属球,形成一种新型的“球-棒”复合结构短纤维增强体。在环氧树脂基复合材料中引入短纤维形状因素,考察纤维结构对复合材料性能的影响。 (1)对碳纤维表面进行不同温度的空气氧化处理。XPS和FT-IR分析表明,空气氧化可有效的向碳纤维表面引入含氧官能团,并且经400℃灼烧后,碳纤维表面的O 1s /C 1s由原始碳纤维的23.05%增加到42.83%。失重量和DSC曲线表明,碳纤维在空气中的氧化反应在328℃开始进行,515.6℃时达到高峰,伴随着碳纤维质量的急剧损失。从FESEM照片可以看出,氧化处理后的短碳纤维表面粗糙度增加,表面积增大。 (2)400℃氧化碳纤维吸附金属铜的实验结果表明,碳纤维表面的含氧官能团本身对硫酸铜溶液中的铜离子具有还原作用,并对金属铜的电沉积起到促进作用。电化学测试结果表明,碳纤维表面含氧官能团的增加,可以降低启动电化学反应时所需要的沉积电位。 (3)采用电沉积方法制备不同表面形貌的铜-短碳纤维复合增强体。从FESEM照片可以看出,当沉积电压低于1.0 V时,碳纤维表面得到不连续的铜颗粒;沉积电压为1.5~2.5 V时,得到均匀光滑的铜沉积层;大于等于3.5 V时,得到铜-“球-棒”状短碳纤维复合增强体。 (4)不同形貌铜-短碳纤维复合增强体的形成机制为:在外加电压的作用下,铜离子优先在纤维表面具有活性官能团的位置被还原成金属铜并吸附在该点,此后沉积电压占据主导地位控制沉积物形貌。当沉积电压适中时,纤维表面可获得均匀光滑沉积层。当初始的沉积电压极高时,瞬时被还原的铜晶粒使该点的导电性能得到改善,在电沉积尖端效应的作用下,铜晶粒自身不断长大,因此最终形成“球-棒”状结构。 (5)铜-“球-棒”状短碳纤维/环氧树脂基复合材料的力学性能结果表明,“球-棒”状短碳纤维比平直短碳纤维能够更好的提高环氧树脂基复合材料的力学性能。当碳纤维含量为0.1 wt%时,“球-棒”状短碳纤维/环氧树脂基复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量达到最大值,分别为35.27 MPa,4.93 GPa,106.9 MPa和2.51 GPa,比纯环氧树脂分别提高了123.1%、74.8%,54.1%和14.5%;比0.5 wt% 400℃氧化短碳纤维/环氧树脂基复合材料分别提高了75.9%、39.3%、28.3%和1.2%;比0.5 wt%均匀铜-短碳纤维/环氧树脂基复合材料分别提高了25.2%、25.8%,24.0%和0.4%。 (6)揭示了“球-棒”状短碳纤维对环氧树脂基复合材料力学性能的增强机理。一方面“球-棒”状短碳纤维的拔出阻力大于平直纤维;另一方面,较之平直纤维,“球-棒”状短碳纤维可显著减少复合材料的界面剪应力,金属球可使材料内部的应力均匀化,不易形成局部应力过大,避免了基体中裂纹的扩展,从而提高复合材料的力学性能。 (7)在沉积电压大于等于5.6 V时制备了镍-“球-棒”状短碳纤维复合增强体,其环氧树脂基复合材料的力学性能优于平直短碳纤维/环氧树脂复合材料。拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量的最大值分别为27.76 MPa,3.88 GPa,120.62 MPa和3.21 GPa,比纯环氧树脂分别提高了75.6%、37.6%,39.4%和45.9%;比400℃氧化短碳纤维/环氧树脂基复合材料分别提高了38.5%、9.6%、16.1%和28.9%;比均匀镍-短碳纤维/环氧树脂基复合材料的最大值分别提高了30.0%、6.6%、3.4%和3.9%。 (8)铜-和镍-“球-棒”状短碳纤维/环氧树脂基复合材料的表面电阻小于相同纤维含量的400℃氧化短碳纤维/环氧树脂复合材料,但高于相应均匀金属层的短碳纤维/环氧树脂复合材料。 本文的主要创新点如下: (1)将短纤维结构与复合材料性能有机的结合在一起,提出一种新型的“球-棒”状短碳纤维复合增强体的表面改性-微观结构设计思想,使短碳纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能大幅度提高,部分性能甚至超过碳纳米管或碳纳米纤维增强环氧树脂基复合材料,充分体现了“球-棒”结构短纤维增强体的巨大优势,对提高树脂基复合材料力学性能、降低成本具有重要意义。 (2)结合氧化改性和电沉积技术,通过控制碳纤维表面官能团和沉积电压,开发出简便易行的制备“球-棒”状短碳纤维复合增强体的工艺方法,该方法对于“球-棒”状短纤维复合增强体的推广使用具有现实意义。 作为首次尝试,本研究为特殊结构短碳纤维复合增强体的制备提供了有益的探索,并对进一步改善短纤维形态、完善复合材料界面设计、提高弱界面结合复合材料的性能具有重大意义。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB332

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【参考文献】
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