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CF/PC复合材料界面设计与模拟

王金美  
【摘要】:碳纤维增强热塑性复合材料因其强度硬度高、制备过程无溶剂、高温使用性能高、可回收利用等优点而被广泛应用于汽车工业、航空航天、电子电器、机械工业等领域。碳纤维增强聚碳酸酯(CF/PC)复合材料能够有机结合CF与工程塑料PC的优点。但是,由于碳纤维的表面惰性与聚碳酸酯的高加工难度,CF/PC复合材料体系的界面研究进展缓慢。对该材料体系界面进行微观层面研究能够拓宽复合材料原料选择范围与合成途径,并为界面研究提供更多理论依据。本文以CF/PC界面作为研究对象,对界面进行改性设计。采用可调节嵌段比例的聚酯酰亚胺-聚醚嵌段共聚物与PC共混,基于分子动力学计算软件Materials Studio,通过模型建立、结构优化、分子动力学模拟等过程,对树脂共混改性、碳纤维表面氧化、上浆剂改性的界面改性原理进行探索,并对上浆剂的有效性进行验证,建立了微观结构与宏观性能之间的关系。树脂共混改性中,设计了一种包含“软段”与“硬段”的聚酯酰亚胺-聚醚嵌段共聚物,以期通过聚醚软段增加流动度、通过聚酯酰亚胺“硬段”提供相容性的方向来改善聚碳酸酯加工性能的不足,从溶解度参数(δ)和玻璃化转变温度(Tg)两个方面研究嵌段共聚物对聚碳酸酯的影响。溶解度参数的分子动力学模拟结果表明,当嵌段共聚物中硬段比例较高时,两种树脂的相容性较好,此时聚碳酸酯的δ值为18.16,嵌段物的δ值为17.25,二者相差仅5%。从Tg的结果看,其线性拟合曲线只有一个转折点,证明两树脂的相容性较好,且嵌段共聚物的加入使玻璃化转变温度有了0.4K~20K不同程度的下降,当嵌段比例为0:10、1:9、2:8、3:7以及9:1的嵌段聚合物与聚碳酸酯共混时,二者相容性良好且Tg下降高于8K,改善PC加工性能的效果明显。通过对脱氧碳纤维或含氧碳纤维/聚氨酯上浆剂模型的分子动力学模拟探究了碳纤维表面氧化所起作用。结果表明,经过接枝含氧官能团,上浆剂与碳纤维之间结合更加紧密,该模型的界面相互作用能从874.19kcal/mol下降为604.77kcal/mol,下降了269.421 kcal/mol。这说明从分子模拟的角度,表面氧化是提升复合材料界面浸润效果的有效途径。通过对碳纤维/上浆剂/共混树脂界面构建、几何优化、退火模拟以及分子动力学模拟,探究上浆剂对CF/PC界面所起作用。结果表明,与未经上浆处理的界面相比,经过上浆剂处理后,碳纤维与聚碳酸酯的结合明显紧密。但嵌段共聚物的加入对界面浸润的作用效果不明显,其中嵌段共聚物中聚醚软段的比例越高,界面结合效果越好,界面结合的作用形式主要以范德华力为主。上浆碳纤维单丝与复合材料力学性能测试证实了上浆剂的有效性。


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