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基于上浆法的界面设计及其对CFRP界面性能影响研究

张舒  
【摘要】:碳纤维增强环氧树脂基(CF/EP)复合材料因环氧树脂优异的力学性能和良好的工艺性成为航空航天用CFRP家族中重要一员,但是CF/EP的断裂韧性差且无法回收利用。碳纤维增强热塑性树脂基(CFRTP)复合材料具有韧性好、环境友好等优点,尤其是高性能热塑性树脂的快速发展促进了碳纤维增强热塑性树脂基复合材料在航空航天领域的应用,这也使得对CFRTP的基础研究显得尤为重要。界面是复合材料不可或缺的组成部分,界面性能在很大程度上决定着复合材料整体性能的发挥。对于CF/EP复合材料来说,界面结合强度较强,但结合韧性较差;对于CFRTP复合材料来说,界面因缺少化学键连接而使得界面结合强度较差。针对上述问题,本论文旨在通过界面设计实现CF/EP复合材料界面的增韧增强,实现碳纤维增强高性能热塑性树脂含二氮杂萘联苯聚醚酮(PPEK)复合材料界面的增强。 碳纤维/PPEK复合材料界面剪切强度影响因素分析结果表明径向热残余应力对碳纤维增强PPEK复合材料界面剪切强度贡献超过80%,影响界面剪切强度的因素主要有纤维/树脂间的物理作用力、界面摩擦和热残余应力。针对界面剪切强度的影响因素可以有针对性的对界面进行设计。本论文中研发了一种新型耐高温热塑性上浆剂,并将其应用于碳纤维表面处理,提高了碳纤维的表面能,改善了碳纤维与PPEK树脂的浸润性,使得碳纤维/PPEK单丝复合材料的界面剪切强度提高了21.6%。 在碳纤维表面引入碳纳米管所制备的碳纳米管/碳纤维多尺度纤维复合材料,相比与传统CFRP复合材料,具有更高的界面摩擦和机械啮合作用,从而使得复合材料的界面剪切强度得以提高。本论文中结合电泳沉积法和上浆法,通过调整电泳电极和电场形式等参数,开发出简便易行的制备碳纳米管/碳纤维多尺度纤维的工艺方法,所制备的碳纳米管/碳纤维多尺度纤维表面具有较高密度的碳纳米管。碳纳米管的存在使得碳纤维表面粗糙度得到了明显提高,使得碳纤维增强PPEK复合材料界面剪切强度相比于PPEK上浆的碳纤维复合材料提高了35.6%。本论文还对碳纳米管进行了化学修饰,提高了其在热塑性上浆剂中的分散性,制备了含有碳纳米管的上浆剂,并采用上浆的方法制备了碳纳米管/碳纤维多尺度纤维。采用含有碳纳米管的上浆剂上浆碳纤维所制备的碳纳米管/碳纤维多尺度纤维使得PPEK复合材料界面剪切强度提高18.5%。 在上浆剂中引入可以在CF/EP界面发生化学反应的活性单体,并将改进后的上浆剂应用于碳纤维表面上浆,这使得上浆后的CF/EP复合材料在具有良好韧性的同时界面剪切强度也得到了增强。基于功能转化原理和Scheer-Nairn剪滞模型推导出了单丝复合材料界面弹性能释放率的计算公式,用来表征界面断裂韧性。计算结果表明,采用改进的热塑性上浆剂处理的碳纤维增强环氧树脂基复合材料界面弹性能释放率提高了56.1%。力学性能测试结果表明采用含有活性分子的热塑性上浆剂上浆后的CF/EP复合材料相比于普通商用碳纤维复合材料,界面剪切强度提高了15.5%,层间剪切强度提高了12.0%,II型层间断裂韧性提高了51.3%。 使用热塑性上浆剂和含有碳纳米管的上浆剂对未上浆的碳纤维丝束进行批量上浆处理,得到的纤维丝束用来增强PPEK树脂,制备单向复合材料层合板,并对复合材料层合板的宏观力学性能进行表征。热塑性上浆剂和含有碳纳米管的上浆剂上浆碳纤维增强PPEK复合材料相比于商用碳纤维增强PPEK复合材料层间剪切强度提高分别提高36.6%和115.4%,冲击断裂功分别提高了22.2%和113.9%。层间剪切强度和冲击测试结果表明,对比商用的表面为环氧上浆剂的碳纤维复合材料,无论是热塑性上浆剂还是含有碳纳米管的热塑性上浆剂都可以有效提高碳纤维/PPEK复合材料的层间剪切强度和冲击断裂韧性。 实验和理论分析证实,基于上浆法对碳纤维表面处理的界面设计可以有效的提高碳纤维/PPEK复合材料的界面/层间结合强度、提高碳纤维增强环氧树脂基复合材料的界面/层间断裂韧性;在碳纤维/PPEK界面引入碳纳米管可以显著提高复合材料的界面剪切强度和整体力学性能。基于上浆法的界面设计切实可行,并具有良好的工程推广前景。


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