变温拉曼研究碳纤维增强聚酰亚胺复合材料的界面微观力学

发布时间：2020-07-12 19:48

【摘要】：碳纤维的热膨胀及其复合材料界面区域的微观力学行为是影响纤维复合材料性能的重要因素。变温拉曼光谱技术从微观角度出发,实时探测变温过程,在研究复合材料热力学行为方面具有独特的优势。本论文通过变温拉曼光谱技术研究了在变温过程中碳纤维自身的性能变化以及复合材料实时的微观力学行为,重点是纤维及其界面区域之间的微观力学行为。主要内容及结论如下:(1)研究了碳纤维的热膨胀效应以及拉曼应力敏感性。设定测试温度0~500℃,获得不同温度下CF的拉曼谱图,发现碳纤维的G’峰频移随温度变化量为-2.62 cm~(-1)/(100℃)。碳纤维表面存在结构异质性,具有良好的拉曼应力敏感性,受力过程G’峰频移变化量为-28.27cm~(-1)/(1%strain)。G’峰的频移变化量是后续微观力学研究的计算基础。(2)研究了CNT-PI复合薄膜的拉曼敏感性。对比研究了不同CNT添加量对CNT-PI复合薄膜性能的影响,其中3wt.%CNT添加量的CNT-PI薄膜拉伸强度为138.11 MPa,分解温度达580℃。变温拉曼研究发现升温过程中CNT-PI薄膜内部应力有显著变化。以3%CNT-PI薄膜为例,其中25~150℃为材料承受压应力阶段,150~300℃为应力突变转变阶段,300℃以上为拉应力阶段。升温可以有效消除热残余应力,但350℃以上会引起应力集中。实验也证实了CNT可以作为良好的应力传感媒介。(3)通过变温拉曼技术研究了在变温过程中CF/PI薄膜的微观力学。研究发现CF/PI薄膜的微观应力受树脂热运动的影响较大,25~150℃范围内CF的特征G’峰频移仅下降2.5 cm~(-1),150~300℃范围频移下降10.1 cm~(-1),与树脂运动规律相似。通过计算发现在200℃时纤维区域的应力接近于0 MPa;与PI树脂基体相比,CF/PI薄膜更容易消除热残余应力。研究同时发现,在变温过程中CF与PI之间的热传递是一个非均匀扩散过程。升降温循环后,CF区域的应力不能完全恢复到初始状态。(4)利用变温拉曼mapping技术研究了CF/CNT-PI复合薄膜的界面微观力学。获得了各温度条件下复合材料界面微区的应力分布图,发现,在200℃以下,CF/CNT-PI薄膜处于压应力状态,应力从纤维到基体逐渐减小。200℃为残余应力消除温度,此温度下薄膜内部纤维及界面区域应力均接近于0 MPa。在降温过程中,树脂的导热速率比碳纤维慢,使得界面区域内形成热扩散层。CF与基体之间的应力传递达不到100%,基体内部存在热应力滞后,使界面区域持续受到热应力,应力不能完全恢复到变温前的初始状态,但碳纤维起到良好的增强作用。变温拉曼技术的应用,有效表达出CF复合材料界面热扩散、应力分布及传递等微观力学重要信息,这为材料在一定温度下使用的有效性和安全性提供了依据。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB332
【图文】：

纤维增强复合材料,微观结构模型,简化模型,界面

其中，界面在纤维增强复合材料中具有举足轻重的作用，它不但是纤维增强复合材料中增强相和基体相连接的纽带，也是应力及热传递等信息的桥梁[1-3]。因此，已有较多的研究者参与到碳纤维增强复合材料界面的研究。目前，纤维复合材料的界面行为研究主要包括界面区域界定、碳纤维表面处理（化学改性和物理改性）、碳纤维在基体内的排列方式、界面结合力以及界面应力传递等方面[4-9]。通过对以上多方面的研究，我们可以通过一系列改性和工艺调控手段大大提高碳纤维增强复合材料的性能，提高材料的使用寿命。1.1.1 纤维增强复合材料界面实际上，界面相并不是简单的增强相和基体的接触形成的，而是在形成过程中伴随着一系列的物理吸附、化学接枝等变化[10]。不当的界面粘结可能导致一些结构缺陷和残余应力等不利因素，而界面的微观过程难以观察，使得界面问题成为一个研究难点。

光学图,基体树脂,接触角,界面区域

料的使用寿命大幅度下降[11]。因此，目前界面受热过程的缺陷问题是一个界面区域缺陷的研究难题，亟待人们去解决。1.1.2 纤维增强复合材料界面的传统研究方法目前关于复合材料界面的研究主要分为两个方面：一是界面的结构，包括组成元素及其分布和表面形貌等方面。通过对界面区域微观结构的研究得出界面区域成分分布的均匀性，以及该区域的微观缺陷情况[12-14]。二是界面微观力学行为包括界面剪切应力、纤维与树脂应力传递、残余应力等多种微观受力情况。该力学行为的研究主要着眼于界面粘结性能，碳纤维与树脂基体之间界面粘结性能越好，则其界面剪切力越大，树脂与纤维之间的应力传递也会有所提高[15,16]。1.1.2.1 界面结构对纤维复合材料界面结构的研究方法，目前主要利用 SEM、AFM、接触角等设备，对纤维的表面形貌、纤维与树脂之间的浸润性以及复合材料的断面形貌和微观结构等进行研究。

形貌,石墨,碳纤维复合材料,纤维

在碳纤维的表面化学气相沉积石墨烯提高纤维与树脂基体之间的界面性能，如图1.3 所示，（a）和（b）存在明显的脱粘现象，这是由于碳纤维表面光滑，以及表面惰性，使得纤维与树脂之间结合力低；而（c）和（d）由于表面沉积了一层石墨烯大大提高了纤维与树脂之间的界面结合力，由此可见表面沉积纳米粒子改性碳纤维是一种提高界面结合力的有利手段。图 1.3 碳纤维复合材料断面的 SEM 图：(a),(b) 无石墨烯; (c),(d) 石墨烯[18]Fig. 1.3 SEM images of the fracture surfaces of carbon fiber composite: (a) and (b) withoutGNWs, (c) and (d) with GNWs[18]AFM 除了可以用于纤维表面形貌的扫描外，还可以通过其力学模式在纤维和树脂之间进行连续扫描。Chen 等利用 AFM 在力学模式下研究了碳纤维到周围树脂基体的强度变化，纤维的强度明显比树脂的强度大，从而在界面处形成明显的强度分界线，并且在界面的强度分布与纤维和树脂的强度均有一定的差异，进一步说明界面是复合材料中特殊的研究区域[19]。

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