国产高性能碳纤维表征分析及复合材料力学性能研究

发布时间：2021-07-26 19:26

　　采用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和X射线光电子能谱仪（XPS）表征国产T800级碳纤维A和东丽T800H碳纤维的表面形貌与表面化学特性,对两种碳纤维增强高韧性环氧树脂基复合材料的力学性能进行研究。结果表明,碳纤维表面特性对复合材料界面性能具有显著影响;国产碳纤维A的表面粗糙度和表面化学活性均与东丽T800H碳纤维较为接近,室温条件下两种碳纤维复合材料的界面性能基本相当,说明国产碳纤维复合材料M-A具有良好的界面性能;在130℃湿态条件下,国产碳纤维复合材料M-A的层间剪切强度和90°拉伸强度保持率均略高东丽碳纤维复合材料M-T800H,说明国产碳纤维复合材料M-A的湿热性能良好。 

【文章来源】：材料工程. 2020,48(10)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

碳纤维表面SEM形貌

图1 碳纤维表面SEM形貌原子力显微镜(AFM)不仅可以获得国产碳纤维A表面的二维和三维形貌图,而且可以量化分析碳纤维表面粗糙度,是研究碳纤维表面形貌的重要手段。碳纤维A和东丽T800H碳纤维的AFM三维形貌如图2,由图2可以看出,湿法纺丝工艺制备的两种碳纤维表面都有上浆剂颗粒的存在,且沿纤维轴向有大量沟槽,在三维图上可清晰地看出“山脊”与“山凹”形貌。其中东丽T800H碳纤维表面沟槽分布深浅不一,而国产碳纤维A表面沟槽深度较均匀。

采用X射线光电子能谱仪(XPS)测试两种碳纤维的表面化学组成,如图3所示。碳纤维表面元素种类及含量列于表3。与东丽T800H碳纤维相比,国产碳纤维A表面不仅有碳元素、氧元素、硅元素,还有少量的氮元素和硫元素。两种碳纤维表面的主要元素都为碳元素和氧元素。根据化学键理论,碳纤维表面的化学活性基团能直接影响碳纤维和树脂的亲和性。碳纤维表面活性基团浓度高,有利于碳纤维与树脂基体形成较强的次价键吸引和化学键结合,从而提高复合材料的界面性能[19]。碳纤维表面的化学反应活性与其活性基团的浓度密切相关,而这些活性基团主要为羟基、羧基和环氧基团等含氧官能团,故碳纤维表面的O/C比(氧元素与碳元素比值)可以反映碳纤维的化学活性[20],O/C比越高,碳纤维表面活性越大。从表3中可以看出,两种碳纤维的O/C比非常接近,可以认为国产碳纤维A的化学活性与东丽T800H碳纤维相当,两种碳纤维与树脂间的化学键结合作用差距不大,有利于国产碳纤维A与树脂复合后的材料也具有良好的界面性能。

【参考文献】：
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本文编号：3304207