碳纤维多尺度增强体的制备及其结构性能研究

发布时间：2018-10-19 20:00

【摘要】：碳纤维(CF)是含碳量在90%以上的无机纤维,与树脂基体经复合工艺制得的复合材料性能优异,已广泛应用在航空航天、导弹和民用领域。碳纤维复合材料的力学性能与碳纤维和基体的界面粘接性能相关,未经处理的碳纤维的表面能低,表面微晶尺寸较大,与树脂基体的界面结合较弱,因此要对碳纤维进行表面处理。本文的研究目的就是通过各种方法进行碳纤维的表面改性,以提高碳纤维复合材料的力学性能及层间性能。碳纳米管、石墨烯自问世以来,一直是碳材料研究的焦点,通过处理可以获得丰富的活性官能团及良好的分散性,用其处理碳纤维表面,可以显著改善碳纤维与基体树脂的界面性能。首先,本文通过对碳纤维表面碳纳米管的连续化生长工艺的探究来对碳纤维进行表面改性,方法是：碳纤维走丝经卧式碳化炉时,采用化学气相沉积法在碳纤维表面生长碳纳米管。本文经过详细讨论及大量实验研究可能影响碳纤维表面生长碳纳米管的连续化生产工艺的各种参数后,确定了最佳的连续化工艺：即利用低温燃烧法对碳纤维进行去胶处理,选择二茂铁作为催化剂,以二甲苯为溶剂；选择750℃,氮气吹扫,控制含碳气体与氮气的比例；碳纤维以8m/h走丝速度连续穿过石英管,实现碳纤维表面碳纳米管的连续化生长,通过扫描电镜(SEM)及透射电镜(TEM)等测试分析,可观察到碳纤维表面有一层直径为20-100nm、长度为2-5um的碳纳米管。通过化学接枝改性的方法对碳纤维进行表面处理,主要方法为碳纤维接枝碳纳米管、碳纤维接枝氧化石墨烯。1)碳纤维接枝碳纳米管的机理为：以乙二胺为中间体,采用水热法,将酸化的碳纳米管接枝到处理的碳纤维上；本文经过详细的实验及讨论确定了碳纤维接枝碳纳米管的最佳工艺为：以碳纳米管：N,N-二甲基甲酰胺为1(g)：1000(ml)的比例,在其中一定量的乙二胺；将碳纤维加入水热釜,将水热釜放入180℃烘箱中反应48h,得到多尺度增强体。2)碳纤维接枝氧化石墨烯：利用硅烷偶联剂KH550处理酸化处理的T300碳纤维,将碳纤维放入由改进H法制备的氧化石墨烯水溶液中,通过碳纤维表面的硅烷偶联剂与氧化石墨烯之间的电荷吸附作用及化学反应,然后通过热处理将氧化石墨烯接枝到碳纤维表面,并对碳纤维多尺度增强体表面官能团、表面形貌、表面结构进行了分析,由于石墨烯包覆碳纤维的表面,并且碳纤维与氧化石墨烯之间形成了化学键,改善了碳纤维的表面结构。实验还对表面处理后碳纤维的力学性能、传导性能以及单丝层间剪切性能做了测试,发现：1)碳纤维表面生长碳纳米管后其拉伸强度减小了5.7%,碳纤维复合材料的单丝层间剪切强度提高了46.0%；2)碳纤维表面接枝碳纳米管后其单丝层间剪切强度提高了49.2%；3)碳纤维表面接枝氧化石墨烯后其拉伸强度提高了9.8%,断裂伸长率提高了13.1%,单丝层间剪切强度提高了97.2%,说明样品经表面处理后其力学性能和层间性能得到提高。
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【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ342.742;TB33
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本文编号：2282204