界面过渡层构筑及其对碳纤维复合材料界面、抗疲劳性能的影响

发布时间：2017-06-21 22:12

  本文关键词：界面过渡层构筑及其对碳纤维复合材料界面、抗疲劳性能的影响，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着碳纤维增强树脂基复合材料在国民经济各个领域的广泛应用,人们对复合材料的界面及抗疲劳性能提出了更高的要求。然而,由于树脂对纤维的不良浸润及碳纤维与树脂基体性能失配等因素,复合材料在动静态载荷作用下容易发生界面脱粘并提前破坏。为此,本课题以界面过渡层理论为基础,将碳纳米管引入到界面相中并构筑一种模量处于碳纤维和环氧树脂间的界面过渡层,并探讨了该界面过渡层对复合材料界面及抗疲劳性能的强化机制,为多尺度复合材料的制备及改进提供新的思路。为了提高碳纳米管在水中的分散性,本文首先是通过混酸氧化法制备了氧化碳纳米管(OCNTs).然后采用一种连续电泳沉积的方法将OCNTs沉积到碳纤维表面,通过调控电泳沉积时间控制OCNTs的含量。采用树脂传递模塑成型技术制备多尺度增强复合材料。测试后发现,多尺度复合材料的剪切及弯曲性能在很大程度上依赖于碳纳米管在界面中的分布情况。当电泳沉积时间为5min时,碳纳米管在纤维表面的分布较为均匀,复合材料的界面剪切强度、层间剪切强度、弯曲强度及弯曲模量相比OCNTs引入前分别提高了33.0%,10.5%,9.46%和15.4%,而当电泳沉积时间延长至7min时,过多的碳纳米管在纤维表面团聚,复合材料的剪切及弯曲性能有所下降。此外,经30,000次弯-弯模式下的疲劳损伤后,多尺度复合材料的剩余弯曲强度保留率还提高了3.3%。这说明引入OCNTs后复合材料的界面及抗疲劳性能都有了一定程度的提高。为了明确OCNTs对复合材料的增强机理,论文分别采用扫描电镜的元素分析功能以及力调制原子力显微镜的对含有OCNTs的复合材料的界面结构进行了分析。结果发现,实验采用的工艺能在纤维和增强体间成功构筑界面过渡层,过渡层的碳元素含量和模量介于环氧树脂和碳纤维之间。模量中等的界面过渡层能在复合材料动静态加载过程中有效地传递载荷,从而提高复合材料的整体力学性能。
【关键词】：碳纳米管 电泳沉积 界面性能 界面微观结构 抗疲劳性能
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332
【目录】：

• 学位论文主要创新点3-4
• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-27
• 1.1 课题研究背景9
• 1.2 碳纤维表面改性研究9-14
• 1.2.1 常见界面改性理论9-13
• 1.2.2 常见碳纤维表面改性方法13-14
• 1.3 碳纳米管在复合材料中的应用14-19
• 1.3.1 CNTs增强基体的多尺度复合材料15
• 1.3.2 碳纳米管/碳纤维多尺度增强体的研究现状15-19
• 1.4 常见的界面表征手段19-22
• 1.4.1 界面性能表征19-20
• 1.4.2 界面微观结构表征20-21
• 1.4.3 界面组成的表征方法21-22
• 1.5 纳米材料改善复合材料疲劳性能研究现状22-24
• 1.5.1 纤维复合材料的疲劳损伤过程22-23
• 1.5.2 纳米材料改善复合材料疲劳性能23-24
• 1.6 本课题的研究内容及目的24-27
• 第二章 实验材料与试验方法27-37
• 2.1 实验原料及实验设备27-28
• 2.1.1 实验原料与试剂27
• 2.1.2 实验设备27-28
• 2.2 碳纳米管的功能化28
• 2.3 碳纤维的表面处理28-29
• 2.3.1 碳纤维表面去浆处理28-29
• 2.3.2 碳纤维表面沉积氧化碳纳米管29
• 2.4 碳纤维/环氧树脂复合材料的制备29-30
• 2.5 单纤维/环氧复合材料的制备30-31
• 2.6 测试表征31-37
• 2.6.1 碳纳米管表征31-32
• 2.6.2 碳纤维形貌表征32
• 2.6.3 复合材料静态机械性能测试及表征32-34
• 2.6.4 复合材料界面微区结构表征34-35
• 2.6.5 复合材料动态弯-弯疲劳性能表征35-36
• 2.6.6 复合材料超声C扫表征36-37
• 第三章 界面过渡层构筑及其对碳纤维/环氧复合材料界面性能的影响37-51
• 3.1 碳纳米管的结构性能37-39
• 3.1.1 碳纳米管化学组成37-38
• 3.1.2 碳纳米管的形貌表征38-39
• 3.2 电泳沉积时间对碳纤维形貌的影响39-40
• 3.3 电泳沉积时间对碳纤维复合材料界面及力学性能的影响40-43
• 3.3.1 复合材料的层间剪切性能40-41
• 3.3.2 复合材料的弯曲性能41-42
• 3.3.3 复合材料的界面剪切性能42-43
• 3.4 复合材料界面微区结构分析43-48
• 3.4.1 界面过渡层的元素分布44
• 3.4.2 界面过渡层的相对硬度分析44-47
• 3.4.3 复合材料SEM断面47-48
• 3.5 本章小结48-51
• 第四章 界面过渡层对碳纤维/环氧复合材料抗疲劳性能的影响51-57
• 4.1 界面结构对复合材料疲劳后剩余强度的影响51-52
• 4.2 复合材料抗疲劳性能强化机制52-55
• 4.2.1 复合材料内部损伤情况52-53
• 4.2.2 复合材料的疲劳断面图53-55
• 4.3 本章小结55-57
• 第五章 结论与展望57-59
• 5.1 结论57-58
• 5.2 展望58-59
• 参考文献59-67
• 发表论文和参加科研情况67-69
• 致谢69

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本文编号：470062