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酚醛与端羧基丁腈橡胶复合炭化表面改性碳纤维工艺研究

陈宇娇  
【摘要】:CFRP领域T300级碳纤维的应用较为广泛,但是纤维本身存在与基体的粘结性差的缺点,从而导致CFRP界面中存在较多的缺陷,常常在受力时发生界面脱粘、剥离之类的破坏,直接导致复合材料的力学性能受到严重影响,限制了碳纤维本体高性能的发挥。本文提出了一种酚醛树脂(phenol formaldehyde resin,PF)与端羧基丁腈橡胶(carboxyl-terminated butadiene-acrylonitrile rubber,CTBN)复合表面改性剂(本文中用PF-CTBN表示)在碳纤维表面炭化改性碳纤维的方法。利用PF-CTBN炭化成孔来对碳纤维表面进行处理,目前没有其他科研单位和个人进行相关研究的报道。因此,本文的研究具有非常重要的价值。本文首先研究了PF与CTBN的混合与炭化行为,确定了PF与CTBN混合的最佳比例为质量比PF:CTBN=9:1,通过热重分析、炭化后的形貌分析、炭化后的化学结构分析来研究PF-CTBN的炭化机理,以及CTBN的存在对PF炭化过程的影响。本文的碳纤维的表面改性涉及到热处理,必然会对碳纤维的本体单丝拉伸强度造成影响,因此研究了不同炭化温度处理T300碳纤维的单丝拉伸强度变化,得出温度大于600oC时,碳纤维单丝强度急剧下降,当温度达到800oC时,单丝拉伸强度相比于T300下降了48.3%,本体结构遭到了剧烈的破坏,可以认为此时碳纤维已经失效,不能再作为增强体使用。因此炭化温度尽可能控制在600oC以下以保证碳纤维的本体拉伸强度。为了降低PF(PF-CTBN)浓度,本文使用丁酮作溶剂溶解PF与PF-CTBN。本文分别研究了PF炭化改性碳纤维与PF-CTBN炭化改性碳纤维两种改性方法,主要探究了改性剂PF(PF-CTBN)浓度以及炭化温度对改性碳纤维性能的影响,得出在同等条件下PF-CTBN改性效果较好,最佳工艺条件为PF-CTBN浓度为1:80,炭化温度为600oC,该浓度可以保证PF-CTBN在碳纤维表面涂覆厚度适宜,该温度既可以确保PF-CTBN在碳纤维表面充分炭化而不过度,又可以确保碳纤维保持一定的本体拉伸强度。在最佳工艺条件下,界面剪切强度增大到128MPa,比T300的界面剪切强度高出36.17%。本文提出的改性方法可以提高纤维与基体界面结合性能,可以最大限度地发挥增强体在复合材料中的作用。


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