微纳米粒子协同层间增韧碳纤维复合材料的研究

发布时间：2020-04-18 03:41

【摘要】：单向碳纤维复合材料的各向异性以及树脂基体的交联网络结构,容易导致分层损伤或层间断裂,因此复合材料的增韧研究具有重要的意义。目前,增韧方法主要包括树脂基体改性、Z向增韧和层间增韧,其中层间增韧是先进复合材料发展的重要方向。因此,本文比较了不同工艺自组装微纳米粒子对层间增韧碳纤维复合材料的影响,同时研究了高低温熔点自组装微纳米粒子的结构变化,并建立了层间增韧机理模型。1.分别利用自组装微纳米粒子(PA-MWNTs)和微纳米粒子直接共混(PA+MWNTs)的方法,制备了增韧环氧树脂,研究了树脂基体的力学和流变性能,并以不同方法的微纳米粒子制备增韧胶膜,比较了层间协同增韧碳纤维复合材料的力学性能和微观形貌,探讨了增韧机理。与直接共混法(PA+MWNTs)相比,自组装法微纳米粒子(PA-MWNTs)对树脂基体增韧效果更为明显,碳纳米管的团聚现象减少,同时对复合材料的层间协同增韧效果更为明显,也高于单独采用PA微米粒子或MWNTs纳米粒子层间增韧的复合材料,建立了微纳米粒子自组装模型以及协同增韧复合材料模型。2.采用两种不同熔点的热塑性聚酰胺(PA)微米粒子和碳纳米管制备自组装微纳米粒子PA-MWNTs,制备了不同微纳米粒子层间增韧中温/高温固化碳纤维复合材料。研究了微纳米粒子的结晶性,及其对复合材料力学性能和微观形貌的影响。碳纳米管的存在提高了微纳米粒子的结晶度,改变了熔融结晶后粒子的结构,和碳纤维形成多尺度的界面,有利于提高复合材料的断裂韧性,建立了微纳米粒子结构变化以及层间增韧机理模型。
【图文】：

碳纤维增强复合材料,碳纤维,碳纤维复合材料

料在航空航天，汽车和其他行业中作为结构材料逐渐替代金属材料。根据相关逡逑的报导，空客的Ａ３８０大飞机上使用了大概２５％比重的碳纤维复合材料，有效逡逑减轻了飞机的重量，相关的比例如图１－１所示［Ｍ］。逡逑Ｗ，ｎ９ｂｏｘ逦ｖｅ？？ａｒ逡逑Ｏｕｔｅｒ邋ｗｉｎｇ逦ｓｔａｂＳｉｚｅｒ逡逑ｎ邋ｍ邋Ａｉｌｅｒｏｎｓ逦Ｐｒｅｓｓｕｒｅ逡逑Ｉ邋ｉ逦ｂｕｉｋｈｅａｔｉ逦ｃｏｎｅ逡逑Ａ逡逑二工一ｍ邋—逡逑ｆａｉｒｉｎｇ邋ｓｋｉｎｓ逡逑Ｚ逦门＊ｐａｎｅｌ逡逑ｇｅａｒ邋ｄｏｏｒｓ逦Ou财邮耐％逡逑ｄｏｏｒ逦ｎａｏｅｌｔｅｓ．逡逑—ｎｇＳ逡逑ＣｅｒｔｉｒａＪ邋ｔｏｒｓｉｏｎ邋ｂｏｘ逡逑图１－１空客Ａ３８０中所使用的碳纤维增强复合材料逡逑Ｆｉｇ．１－１邋Ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ邋ｐｏｌｙｍｅｒ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ邋Ｕｓｅｄ邋ｉｎ邋Ａｉｒｂｕｓ邋３８０逡逑碳纤维复合材料的发展离不开日本东丽（ＴＯＲＡＹ）公司，作为世界最大的逡逑技术最先进的碳纤维制造商，碳纤维的牌号己经从１９７１年推出的高强型逡逑ＴＯＲＡＹＣＡ？邋Ｔ３００至ｌｊ发展至ＩＪ最新的高强高模型ＴＯＲＡＹＣＡ？邋Ｔ１１００Ｇ，，碳纤维的逡逑力学性能得到大幅提升，纤维的拉伸强度达到７．０ＧＰａ，弹性模量达到逡逑３２４ＧＰａ，相比于高强中模型Ｔ８００ｓ拉伸强度提高１９％，弹性模量提高１２°／。。为逡逑了与ＴＵ００Ｇ碳纤维相匹配，东丽公司开发了高模量与高韧性共存的３９４０号系逡逑列树脂。ＴＯＲＡＹＣＡ？Ｔ１１００Ｇ／３９４０相比前一代产品

照片,增韧,树脂,照片

描电镜下的微观形貌提出了增幵的机理，在应力集中的作用下，橡胶诱发产生逡逑大量的银纹和剪切带，存在着应力发白的现象，橡胶的颗粒可以抑制和终止裂逡逑纹的扩展，扫描电镜下的微观形貌如图１－２所示。利用橡胶弹性体对树脂基体逡逑增幵有着较为明显的缺点，损害了体系的机械性能和耐热性，逐渐被热塑性树逡逑脂代替。逡逑ｉｇ‘逡逑图１－２邋ＨＴＰＢ增韧树脂ＳＥＭ照片逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋ＳＥＭ邋ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋１０邋ｐｈｒ邋ＨＴＰＢ邋ｂｌｅｎｄｓ邋ｓｈｏｗｉｎｇ邋ｓｔｒｅｓｓ－ｗｈｉｔｅｎｅｄ邋ｚｏｎｅ逡逑１．２．１．２热塑性树脂增韧逡逑耐热性好、力学性能优异的热塑性树脂能够代替橡胶弹性体，在不损害树逡逑脂体系力学性能和耐热性的前提下，有效地提高了复合材料的断裂初性和抗冲逡逑击损伤能力。己经在环氧树脂上试验成功的常用热塑性树脂有：聚醚砜逡逑（ＰＥＳ）、聚砜（ＰＳＦ）、聚酰亚胺（ＰＥＩ）等。热塑性树脂可以与未固化的环逡逑氧树脂在一定的温度下混溶，在高温固化过程中进一步析出诱导相分离。热塑逡逑性树脂和环氧树脂的相对浓度比决定了诱导相分离的结构变化，浓度从低到逡逑高，成核增长（Ｎｕｃｌｅｕｓ邋ｇｒｏｗｔｈ）机理形成海岛结构，亚稳态的混合物分别按照逡逑旋节分相（Ｓｐｉｎｏｄａｌ邋ｐｈａｓｅ邋ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）机理形成相反转，产生复杂的双连续相结逡逑３逡逑
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】