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PAMAM层对铝/树脂基复合材料界面增强机制研究

彭庆宇  
【摘要】: 航天器及其分系统需要各种压力容器用以贮存高压液体和气体,与传统的金属容器相比,复合材料压力容器拥有重量轻、压力高、爆破前泄漏的安全失效模式等诸多优点,使其逐步替代金属容器应用于航空航天等高新技术领域中。在复合材料压力容器设计中,使用铝合金作为内衬的碳纤维/环氧复合材料贮箱是目前最流行的技术,但由于纤维的弹性变形能力远远大于内衬的弹性变形能力,所以内衬在压力循环中会发生屈服,由此可能导致失稳现象,严重影响贮箱的寿命。 本文对金属铝--碳纤维增强环氧层状复合材料中复杂的界面问题:金属铝、树脂基体二者的界面,尝试界面结构的设计,进行氧化铝表面自组装PAMAM分子膜的研究,建立微观结构与宏观性能的相关性,实现纤维缠绕压力容器中金属内衬与树脂界面的良好结合,进而提高复合材料压力容器的稳定性及循环使用寿命等整体性能。 本文采用浸镀法进行PAMAM薄膜的制备,研究了工艺参数对于成膜行为的影响,并在氧化铝膜表面制备出PAMAM薄膜。 实验发现铝表面经过表面处理后,表面粗糙度大幅度提高,增加界面机械互锁,经HNO_3/HF、CrO_3/ H_2SO_4、NaOH处理后,与丙酮超声清洗表面比较,界面强度由4.636MPa分别提高9.4%、32.9%、20.3%,并由于官能团的引入与表面形态的变化,表面能发生了改变。 PAMAM薄膜可大幅度提高表面处理后铝合金的表面能,改善树脂与铝合金的润湿,提升树脂与铝合金的结合强度。同时引入的氨基官能团可以参与树脂的固化反应。经HNO_3/HF、CrO_3/ H_2SO_4、NaOH,丙酮超声清洗表面处理镀膜后与镀膜前比较,界面强度分别提高12.3%、7.9%、27.1%、8.7%,其中NaOH处理后,引入羟基量最多,镀膜后界面强度改善最明显,强度与只进行丙酮处理的表面相比提高52.9%,这是因为不同表面处理后表面不同的羟基团的数量影响着PAMAM的接入量,进而影响着界面强度。 同时通过X射线光电子能谱分析(XPS),傅氏转换红外光谱分析仪(FTIR)等表征手段研究PAMAM与氧化铝的结合方式。深入探讨PAMAM在氧化铝表面的成膜机理,研究了PAMAM层提高界面强度的影响因素及规律,进而揭示PAMAM界面层的引入使氧化铝与树脂界面力学性能提高的本质,并为其在工程上的应用提供了理论基础。


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