取向度可控的短切碳纤维取向毡的水压法制备及其结构与性能研究

发布时间：2017-07-04 15:22

  本文关键词：取向度可控的短切碳纤维取向毡的水压法制备及其结构与性能研究

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【摘要】：高取向度短切碳纤维增强复合材料不仅具有连续长纤维增强复合材料的优点,如高的比强度、比模量,同时在制备结构复杂的高性能复合材料产品时具有连续长纤维增强复合材料不可比拟的加工优势及成本优势,有望部分取代连续长纤维增强复合材料用于一些高端应用领域,如航空航天、现代工业等。然而,如何在实现短切纤维均匀分散的基础上提高其取向程度是制备高性能短切碳纤维增强复合材料急需解决的一个科学问题。同时,在此基础上,如何实现短切碳纤维取向毡制备过程的环境友好、工艺简单高效及大规模连续生产也是一个需要探究的工程科学问题。基于此,本论文以水为分散介质,以生物基来源的多巴胺为表面活性剂,系统研究了短切碳纤维的分散机理,同时在自制的渐缩流体取向设备上系统探究了影响短切碳纤维取向行为的主要因素及相关取向机理,从而为以环境友好的方法规模化、连续化生产短切碳纤维取向毡提供了基础实验数据和理论指导。基于多巴胺自聚合原理成功制备了多巴胺改性短切碳纤维,并研究了多巴胺改性对短切碳纤维表面结构、活性及亲水性能的影响,同时探索了多巴胺改性对短切碳纤维增强环氧树脂复合材料力学性能的影响。结果表明：多巴胺聚合后成功包覆于短切碳纤维表面,在碳纤维表面形成一层光滑的聚多巴胺薄膜,显著增强短切碳纤维表面活性及亲水性能,同时,多巴胺改性后增强了短切碳纤维与环氧树脂基体之间的界面结合强度,其拉伸强度及模量分别提升18.3%和19.8%,弯曲强度和模量分别提升21.2%和27.4%。研究了多巴胺改性、分散液粘度、分散时间及超声预处理等对短切碳纤维在水分散介质中的分散性影响规律,并采用分散度p值对短切碳纤维分散性进行量化表征,结果表明：分散液粘度是影响短切碳纤维分散性的主要决定因素,分散液粘度为1.0-4.0 Pa.s左右时,分散效果最佳；超声预处理能显著提升短切短切碳纤维分散效率,同时多巴胺改性显著提升了短切碳纤维分散液的稳定性。基于实验结果,提出了短切碳纤维在水中分散机理,即短切碳纤维团聚体受到外部施加的剪切作用力及内部团聚作用力的共同作用,当调控分散液的粘度等分散因素使外部施加作用力远大于内部团聚作用力时,使短切碳纤维不断从团聚体剥离形成单丝状均匀分散体,获得较佳分散效果。基于渐缩流体诱导取向原理,自主设计、搭建了实验室级短切纤维取向毡制造装置,系统探究了影响短切碳纤维取向行为的主要因素及相关取向机理。实验结果表明：当分散液粘度为1.0-4.0 Pa.s、渐缩取向喷头狭缝宽度为1.0 mm、水压压力为0.2 MPa及传送速度为10 mm·min-1时,成功制得取向程度高达93.4%的短切碳纤维取向毡。同时以短切碳纤维取向毡的扫描电子显微镜照片为取向统计分析样本,建立了基于二阶取向张量的短切纤维取向度量化计算方法。此外,以获得的高取向度短切碳纤维取向毡为增强体,制备了高取向度短切碳纤维增强环氧树脂复合材料,显著提升其拉伸及弯曲性能。
【关键词】：短切碳纤维 分散性 短切纤维取向技术 高取向短切纤维增强复合材料
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ342.742;TB332
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-17
• 第一章 绪论17-31
• 1.1 研究背景及意义17-18
• 1.2 碳纤维复合材料发展概述18-22
• 1.2.1 碳纤维简介18-19
• 1.2.2 碳纤维复合材料简介19-20
• 1.2.3 碳纤维复合材料回收利用现状20-22
• 1.3 短切纤维取向22-27
• 1.3.1 短切纤维取向方法22-24
• 1.3.2 短切纤维取向程度分析24-26
• 1.3.3 短切纤维取向在复合材料应用26-27
• 1.4 短切纤维分散性研究概况27-29
• 1.5 本论文研究内容及意义29-31
• 1.5.1 本论文研究内容29
• 1.5.2 本论文研究目的及意义29-31
• 第二章 实验部分31-39
• 2.1 实验原料31
• 2.2 实验仪器与设备31-32
• 2.3 实验工艺过程32-35
• 2.3.1 多巴胺改性短切碳纤维的制备32-33
• 2.3.2 短切碳纤维分散体及其无规毡的制备33
• 2.3.3 短切碳纤维取向毡的制备33-34
• 2.3.4 短切碳纤维毡增强复合材料的制备34-35
• 2.4 测试与表征35-39
• 2.4.1 表面元素分析(XPS)表征35
• 2.4.2 扫描电子显微镜(SEM)表征35
• 2.4.3 透射电子显微镜(TEM)表征35
• 2.4.4 热失重分析(TG)表征35
• 2.4.5 电子数码照片分散性表征35-36
• 2.4.6 表面接触角表征36
• 2.4.7 短切碳纤维悬浮液粘度测量36
• 2.4.8 短切碳纤维分散性定量表征36-37
• 2.4.9 复合材料拉伸及弯曲性能测试37-39
• 第三章 结果与讨论39-63
• 3.1 多巴胺改性短切碳纤维表征39-41
• 3.1.1 pDop-SCFs的XPS分析39-40
• 3.1.2 pDop-SCFs的TG分析40-41
• 3.1.3 短切碳纤维表面微观形貌及接触角表征41
• 3.2 短切碳纤维分散性研究41-52
• 3.2.1 短切碳纤维分散条件分析42-43
• 3.2.2 羟乙基纤维素及多巴胺改性对SCFs分散行为的影响43-45
• 3.2.3 超声预处理对短切碳纤维分散性影响45-47
• 3.2.4 羟乙基纤维、多巴胺对SCFs分散性影响机理分析47-50
• 3.2.5 多巴胺改性前后对环氧树脂力学性能的影响50-52
• 3.3 短切碳纤维取向性研究52-59
• 3.3.1 短切纤维取向毡制备装置的设计制造52
• 3.3.2 分散液粘度η对短切碳纤维取向毡取向程度的影响52-54
• 3.3.3 短切纤维狭缝宽度d对短切碳纤维取向毡取向度的影响54-55
• 3.3.4 压力P及网带运行速度V对短切碳纤维取向性的影响55-56
• 3.3.5 短切碳纤维取向毡取向度定量表征56-59
• 3.4 短切碳纤维取向毡基本性能及增强环氧复合材料力学性能59-63
• 3.4.1 短切碳纤维取向毡基本性能60-61
• 3.4.2 短切碳纤维取向毡增强环氧树脂复合材料力学性能61-63
• 第四章 结论63-65
• 参考文献65-71
• 致谢71-73
• 研究成果及发表的学术论文73-75
• 作者简介75-77
• 导师简介77-78
• 北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书78-79

【参考文献】

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本文编号：518319