碳纤维增强热塑性聚酰亚胺复合材料的分子模拟与性能研究
发布时间：2021-06-09 22:37
先进树脂基复合材料自上世纪60年代出现在人们的视野中后,就一直成为各界科研工作者们着力研究的对象,这种新式材料卓越的工程性能和无与伦比的结构特性使得其在进入21世纪后被广泛研究与开发。不过随着现如今工业化进程的不断深入,人们对材料性能的诉求愈加宽泛,不仅要求力学性能具有优越性而且近年来还提出了绿色、轻量的目标。本文采用碳纤维（CF）作增强体,热塑性聚酰亚胺（TPI）作基体,旨在通过工艺优化及复合材料界面设计制备性能优异的碳纤维增强热塑性聚酰亚胺复合材料（CF/TPI）。针对制备流程设计方面,本文采用Materials Studio?V8.0（MS）软件先针对TPI树脂进行高温下性质预测,采用软件对树脂模拟体系进行分子动力学（MD）计算,根据高聚物特点,绘制模拟状态下温度-比容图像,预测树脂玻璃化转变温度（Tg）区间,同时进行非连续温度下模拟剪切试验,预测高温下树脂黏度变化趋势,预测TPI最佳温度加工区间为550 K～700 K。通过DSC、红外等测试结合模拟结果确定TPI的Tg为277℃,Tm为375℃,Td为554℃,...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PAN基碳纤维制备流程简图[11]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文关界面层的研究显得尤为重要。尽管在原料种类选择方面，人们往往选择高强高模的增强体和基体，但复合材料性能的设计并不是像“一加一等于二”这么简单，如何构建出合适的界面层尤为重要，大量研究表明只有增强体与基体界面结合力强、浸润性好，增强体才会真正起到增强的作用，否则复合材料的性能会大打折扣。研究表明，复合材料界面性能绝大部分受纤维和聚合物的自身性能影响，例如热膨胀系数、强度、结晶度等，不过界面层的最终结合强度高度依赖于它们间的物理和化学相互作用，包括机械啮合、化学键合以及物理粘附机制（即范德华相互作用、氢键等），这三者都和纤维与树脂两相间的润湿性密切相关。图1-2复合材料结构简图1.3.2碳纤维复合材料的界面设计1.3.2.1碳纤维表面修饰PAN基碳纤维生产时需进行高温碳化，目的是高温分解其他物质从而最大程度留存碳元素含量，因此其表面能低，缺乏活性基团，同时以极稳定的非极性结构存在。因此碳纤维与大多数基体材料的界面粘合性较差，基体很难浸润纤维产生包覆[17]。针对这种现状，多年来国内外大量研究工作者开始着力探究碳纤维的表面修饰（例如接枝、上浆等）相关以期提高其表面活化能或粗糙度间接对界面层进行优化。目前有关碳纤维表面修饰的研究方法，在各界工作人员的不懈努力下归纳总结出了很多，主要分为以下几种：（1）表面氧化修饰表面氧化法是指利用氧化剂处理纤维表面，可分为气相氧化和液相氧化，前者主要选取臭氧或空气作为氧化剂，后者大多采用浓酸（浓硝酸等）。研究结果表明[18]，经此法试验后，大量含氧官能团被引入纤维表层，同时表面粗糙度有明显提升，处理后纤维增强复合材料的力学性能有5
PMDA-ODA型PI结构简图
【参考文献】：
期刊论文
[1]纯电动汽车车身材料轻量化应用现状浅谈[J]. 赵治,郝志莉. 汽车实用技术. 2020(07)
[2]热塑性树脂基复合材料在航空领域的研究进展[J]. 吴琨. 价值工程. 2020(09)
[3]碳纤维增强树脂基复合材料的应用及展望[J]. 于海宁,高长星,王艳华. 合成纤维工业. 2020(01)
[4]碳纤维的合成及应用研究进展[J]. 于梦贤,薛光宇,王浩任,宋新飞,孙一诺,丁文钊,马登学,夏其英,梁士明. 山东化工. 2019(15)
[5]碳纤维增强高性能热塑性复合材料界面改性的研究进展[J]. 邢开,徐海兵,颜春,陈刚,陈明达,祝颖丹. 玻璃钢/复合材料. 2019(05)
[6]臭氧改性碳纤维/聚酰亚胺复合材料的制备与性能研究[J]. 张荣,裴学良,席先锋,欧阳琴,张坤玺,徐剑,陈友汜. 玻璃钢/复合材料. 2019(03)
[7]复合材料风电叶片先进制造技术研究现状[J]. 柴红梅,袁凌,李颖,韩锐,潘磊,杜春. 玻璃钢/复合材料. 2019(02)
[8]大块充填树脂的研究进展[J]. 姜雪,高平,魏茜茜,张晓萌,徐通,赵颀,朱松. 口腔医学. 2019(01)
[9]碳纤维增强聚苯硫醚复合材料激光加热原位成型过程中的温度场[J]. 宋清华,刘卫平,陈吉平,刘奎,杨洋. 复合材料学报. 2019(02)
[10]碳纤维复合材料在航空航天领域的应用[J]. 刘强. 科技与企业. 2015(22)
博士论文
[1]CNT/CF多尺度纤维固液润湿行为及其热塑性复合材料界面性能[D]. 王健.哈尔滨工业大学 2019
[2]碳纤维/乙烯基酯树脂界面设计及其作用机理研究[D]. 焦卫卫.哈尔滨工业大学 2018
[3]碳纤维表面和界面性能研究及评价[D]. 张焕侠.东华大学 2014
[4]碳纤维增强树脂基复合材料界面结合强度关键影响因素研究[D]. 张敏.山东大学 2010
[5]稀土溶液处理碳纤维填充热塑性聚酰亚胺复合材料摩擦学性能研究[D]. 李健.上海交通大学 2008
硕士论文
[1]抗高速冲击泡沫铝夹芯复合材料设计及数值模拟[D]. 杨逸民.哈尔滨工业大学 2019
[2]CFF/PEEK复合材料的制备与界面浸润性研究[D]. 张昕.哈尔滨工业大学 2019
[3]高导热聚醚醚酮复合材料的制备与性能研究[D]. 赵轩.吉林大学 2019
[4]CF/PEEK热塑性复合材料热成型及热变形工艺研究[D]. 张涵其.哈尔滨工业大学 2018
[5]碳纤维表面可控接枝聚合改性及其复合材料界面模拟研究[D]. 王秋萍.南昌航空大学 2017
[6]石墨烯表面修饰对石墨烯/环氧树脂复合材料界面及拉伸性能影响的分子模拟研究[D]. 刘晓龙.中国石油大学(华东) 2017
[7]LFT-D长纤维增强热塑性复合材料模压成型工艺研究[D]. 王在富.南京理工大学 2015
[8]多巴胺改性芳纶纤维及其复合材料界面性能研究[D]. 董庆亮.哈尔滨工业大学 2014
[9]高分子结构与性能关系的多尺度分子模拟[D]. 孙德林.华南理工大学 2012
本文编号：3221450
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PAN基碳纤维制备流程简图[11]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文关界面层的研究显得尤为重要。尽管在原料种类选择方面，人们往往选择高强高模的增强体和基体，但复合材料性能的设计并不是像“一加一等于二”这么简单，如何构建出合适的界面层尤为重要，大量研究表明只有增强体与基体界面结合力强、浸润性好，增强体才会真正起到增强的作用，否则复合材料的性能会大打折扣。研究表明，复合材料界面性能绝大部分受纤维和聚合物的自身性能影响，例如热膨胀系数、强度、结晶度等，不过界面层的最终结合强度高度依赖于它们间的物理和化学相互作用，包括机械啮合、化学键合以及物理粘附机制（即范德华相互作用、氢键等），这三者都和纤维与树脂两相间的润湿性密切相关。图1-2复合材料结构简图1.3.2碳纤维复合材料的界面设计1.3.2.1碳纤维表面修饰PAN基碳纤维生产时需进行高温碳化，目的是高温分解其他物质从而最大程度留存碳元素含量，因此其表面能低，缺乏活性基团，同时以极稳定的非极性结构存在。因此碳纤维与大多数基体材料的界面粘合性较差，基体很难浸润纤维产生包覆[17]。针对这种现状，多年来国内外大量研究工作者开始着力探究碳纤维的表面修饰（例如接枝、上浆等）相关以期提高其表面活化能或粗糙度间接对界面层进行优化。目前有关碳纤维表面修饰的研究方法，在各界工作人员的不懈努力下归纳总结出了很多，主要分为以下几种：（1）表面氧化修饰表面氧化法是指利用氧化剂处理纤维表面，可分为气相氧化和液相氧化，前者主要选取臭氧或空气作为氧化剂，后者大多采用浓酸（浓硝酸等）。研究结果表明[18]，经此法试验后，大量含氧官能团被引入纤维表层，同时表面粗糙度有明显提升，处理后纤维增强复合材料的力学性能有5
PMDA-ODA型PI结构简图
【参考文献】：
期刊论文
[1]纯电动汽车车身材料轻量化应用现状浅谈[J]. 赵治,郝志莉. 汽车实用技术. 2020(07)
[2]热塑性树脂基复合材料在航空领域的研究进展[J]. 吴琨. 价值工程. 2020(09)
[3]碳纤维增强树脂基复合材料的应用及展望[J]. 于海宁,高长星,王艳华. 合成纤维工业. 2020(01)
[4]碳纤维的合成及应用研究进展[J]. 于梦贤,薛光宇,王浩任,宋新飞,孙一诺,丁文钊,马登学,夏其英,梁士明. 山东化工. 2019(15)
[5]碳纤维增强高性能热塑性复合材料界面改性的研究进展[J]. 邢开,徐海兵,颜春,陈刚,陈明达,祝颖丹. 玻璃钢/复合材料. 2019(05)
[6]臭氧改性碳纤维/聚酰亚胺复合材料的制备与性能研究[J]. 张荣,裴学良,席先锋,欧阳琴,张坤玺,徐剑,陈友汜. 玻璃钢/复合材料. 2019(03)
[7]复合材料风电叶片先进制造技术研究现状[J]. 柴红梅,袁凌,李颖,韩锐,潘磊,杜春. 玻璃钢/复合材料. 2019(02)
[8]大块充填树脂的研究进展[J]. 姜雪,高平,魏茜茜,张晓萌,徐通,赵颀,朱松. 口腔医学. 2019(01)
[9]碳纤维增强聚苯硫醚复合材料激光加热原位成型过程中的温度场[J]. 宋清华,刘卫平,陈吉平,刘奎,杨洋. 复合材料学报. 2019(02)
[10]碳纤维复合材料在航空航天领域的应用[J]. 刘强. 科技与企业. 2015(22)
博士论文
[1]CNT/CF多尺度纤维固液润湿行为及其热塑性复合材料界面性能[D]. 王健.哈尔滨工业大学 2019
[2]碳纤维/乙烯基酯树脂界面设计及其作用机理研究[D]. 焦卫卫.哈尔滨工业大学 2018
[3]碳纤维表面和界面性能研究及评价[D]. 张焕侠.东华大学 2014
[4]碳纤维增强树脂基复合材料界面结合强度关键影响因素研究[D]. 张敏.山东大学 2010
[5]稀土溶液处理碳纤维填充热塑性聚酰亚胺复合材料摩擦学性能研究[D]. 李健.上海交通大学 2008
硕士论文
[1]抗高速冲击泡沫铝夹芯复合材料设计及数值模拟[D]. 杨逸民.哈尔滨工业大学 2019
[2]CFF/PEEK复合材料的制备与界面浸润性研究[D]. 张昕.哈尔滨工业大学 2019
[3]高导热聚醚醚酮复合材料的制备与性能研究[D]. 赵轩.吉林大学 2019
[4]CF/PEEK热塑性复合材料热成型及热变形工艺研究[D]. 张涵其.哈尔滨工业大学 2018
[5]碳纤维表面可控接枝聚合改性及其复合材料界面模拟研究[D]. 王秋萍.南昌航空大学 2017
[6]石墨烯表面修饰对石墨烯/环氧树脂复合材料界面及拉伸性能影响的分子模拟研究[D]. 刘晓龙.中国石油大学(华东) 2017
[7]LFT-D长纤维增强热塑性复合材料模压成型工艺研究[D]. 王在富.南京理工大学 2015
[8]多巴胺改性芳纶纤维及其复合材料界面性能研究[D]. 董庆亮.哈尔滨工业大学 2014
[9]高分子结构与性能关系的多尺度分子模拟[D]. 孙德林.华南理工大学 2012
本文编号：3221450
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3221450.html
