微波诱导炭纤维表面氧化处理的研究

发布时间：2017-10-04 19:33

  本文关键词：微波诱导炭纤维表面氧化处理的研究

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【摘要】：炭纤维及其复合材料在航空航天、交通运输、军事和体育器材等方面的应用体现了其优越性能。炭纤维与树脂基体的界面粘结是控制复合材料整体性能的关键,但由于炭纤维表面惰性大,缺少活性基团,这极大的影响了两者界面间的复合效果,所以对炭纤维的表面改性研究是必要的。本文采用团队开发的一种新方法,即微波诱导双氧水氧化法对不同种类(聚丙烯腈(PAN)基炭纤维和中间相沥青基炭纤维(MPCF)),包括不同炭化温度的炭纤维(中间相沥青基炭纤维：MP1(T1炭化)、MP2(T2炭化T1)和MP3(T3炭化T2))进行表面改性处理。利用X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见吸收光谱(UV-Vis)对炭纤维表面及回收产物的物理化学性质进行分析。同时利用热机械分析仪(TMA)研究炭纤维和环氧树脂的界面结合情况,以便对炭纤维的改性效果进行多方位的评价。XPS分析发现,微波氧化处理之后炭纤维表面的含氧官能团增加,但是不同纤维增加的幅度不同。对比不同种类的炭纤维发现,中间相沥青基炭纤维的增加幅度大于PAN基炭纤维；对比不同炭化温度的炭纤维发现,MP2炭纤维增加幅度最大,说明微波改性炭纤维的表面效果与炭纤维的种类和炭化温度有关。观察不同氧化时间处理的炭纤维经超声处理后的表面形貌发现,PAN基炭纤维和中间相沥青基炭纤维的沟槽结构都被氧化刻蚀,并以微小石墨片的形式剥落,长时间处理会使纤维表面变的光滑,粗糙度减小。但是表面光滑的各向同性沥青基炭纤维,由于其本身的结构性质处理后的表面刻蚀较为均匀,粗糙度有所增加。此外,随着微波氧化处理时间的增加,从石墨粉末和炭纤维表面超声剥落的石墨片层变薄,含量增多。TMA对炭纤维／环氧树脂(CFRP)复合材料的动态力学性能分析发现,处理后CFRP的tanδmax比未处理降低了11.3%,玻璃化转变温度(Tg)升高了5.6℃。说明微波氧化处理改善了纤维与树脂间的界面粘结性。在30℃～100℃范围内,处理后的CFRP平均热膨胀系数分别是未处理CFRP及纯环氧树脂的2/5和1/10。
【关键词】：炭纤维 微波诱导氧化 双氧水 复合材料 热力学分析
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ342.742;TB332
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-29
• 1.1 前言11
• 1.2 炭纤维的发展概况11-13
• 1.2.1 国外炭纤维的发展现状11-12
• 1.2.2 国内炭纤维的发展现状12-13
• 1.3 炭纤维的结构与性能13-15
• 1.3.1 炭纤维的结构13-14
• 1.3.2 炭纤维的性能14-15
• 1.4 复合材料的界面15-18
• 1.4.1 界面层的形成和作用15-16
• 1.4.2 界面层的作用机理16-18
• 1.5 炭纤维表面处理的方法18-27
• 1.5.1 气相氧化法19-20
• 1.5.2 液相氧化法20-22
• 1.5.3 等离子体氧化法22-24
• 1.5.4 电化学氧化法24-25
• 1.5.5 表面涂层改性处理法25-26
• 1.5.6 表面接枝处理法26-27
• 1.6 本研究的选题背景与研究内容27-29
• 1.6.1 选题背景27
• 1.6.2 研究内容27-29
• 第2章 实验29-34
• 2.1 实验原料29
• 2.2 炭纤维和石墨表面处理29-31
• 2.2.1 炭纤维和石墨微波氧化处理29-30
• 2.2.2 氧水溶液浓度的滴定分析30
• 2.2.3 炭纤维和石墨超声剥落30-31
• 2.3 实验设备31-32
• 2.3.1 扫描电子显微镜31
• 2.3.2 热机械分析仪31
• 2.3.3 X-射线光电子能谱仪31-32
• 2.3.4 超声波清洗机32
• 2.3.5 微波炉32
• 2.3.6 紫外可见分光光度计32
• 2.4 炭纤维/环氧树脂复合材料的制备32-34
• 第3章 微波诱导炭纤维表面氧化处理的研究34-67
• 3.1 引言34
• 3.2 微波诱导双氧水分解的研究34-35
• 3.3 XPS分析微波氧化处理前后炭纤维表面元素及官能团35-50
• 3.3.1 MP1系炭纤维的表面元素及官能团分析35-39
• 3.3.2 MP2系炭纤维的表面元素及官能团分析39-43
• 3.3.3 MP3系石墨纤维的表面元素及官能团分析43-47
• 3.3.4 PAN基炭纤维的表面元素及官能团分析47-50
• 3.4 微波氧化处理炭纤维经超声处理后形貌的观察50-57
• 3.4.1 不同微波处理时间PAN基炭纤维经超声处理后的表面变化50-53
• 3.4.2 不同微波处理时间沥青基炭纤维经超声处理后的表面变化53-57
• 3.5 微波氧化处理的石墨和炭纤维超声剥落石墨片的研究57-64
• 3.5.1 微波氧化处理的石墨超声处理之后的形貌观察57-59
• 3.5.2 微波氧化处理的炭纤维超声剥落的石墨片形貌观察59-63
• 3.5.3 微波氧化处理的石墨和炭纤维超声剥落石墨片的紫外分析63-64
• 3.6 微波诱导双氧水氧化炭纤维表面反应机理的研究64-65
• 3.7 本章小结65-67
• 第4章 微波诱导炭纤维表面氧化处理以及动态力学性能的研究67-74
• 4.1 引言67
• 4.2 微波氧化处理前后炭纤维的表面形貌分析67-68
• 4.3 炭纤维/环氧树脂复合材料断面形貌的分析68-69
• 4.4 对炭纤维/环氧树脂复合材料动态力学性能的表征69-72
• 4.4.1 环氧树脂和复合材料的储能模量69-70
• 4.4.2 环氧树脂和复合材料的损耗模量70-71
• 4.4.3 环氧树脂和复合材料的损耗角正切71
• 4.4.4 复合材料界面粘结性能的定量分析71-72
• 4.5 炭纤维/环氧树脂复合材料的热膨胀行为72-73
• 4.6 本章小结73-74
• 结论74-75
• 参考文献75-81
• 致谢81-82
• 附录A (攻读学位期间所发表的学术论文目录)82

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本文编号：972452