基于分子组装的高模碳纤维表面改性及其复合材料界面性能研究
发布时间：2022-01-03 04:05
高模碳纤维（HMCF）表面石墨化程度高,而现有的阳极氧化和水性环氧上浆的双重处理技术并没有完全消除HMCF的表面惰性,所形成的复合材料界面相也不能有效缓解高模碳纤维与环氧树脂基体之间的模量突变和发挥传递载荷的“枢纽”作用。针对复合材料界面相薄弱而导致的弱失效形式和低载荷传递效率的问题,本文提出了在高模碳纤维表面以萘二酰亚胺（NDI）分子组装构筑二维组装层和萘二酰亚胺/羟基化多壁碳纳米管（NDI/MWNT）杂化分子组装构筑三维组装层的方法,开展了以多维度组装层形成的界面相构建具有模量平台的模量过渡层的研究,实现了界面相结构设计与调控和复合材料的界面增强。（1）通过分子结构设计制备氨基封端的NDI,并配置成上浆剂对高模碳纤维裸丝（Pristine HMCF）表面处理,制备NDI@HMCF。相较于Pristine HMCF,NDI@HMCF表面的化学活性和粗糙度提高。以HMCF作为基底辅助NDI成核及分子组装,形成的平躺剑叶组装体构筑为NDI@HMCF表面的二维组装层。提出了分子组装机理:在NDI的萘环与碳纤维表面的sp2杂化域π-π作用而成核后,萘环间水平方向的H型π-π堆积主导分子聚集,...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－３碳纤维复合材料界面失效的示意图??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ?ｆａｉｌｕｒｅ?ｏｆ?ＣＦＲＰ??１．２．１碌纳米粒子增刚界面相??
?北京化工大学硕士学位论文???—〇＿■■■■■■?Ｉ：??Ｈｋ?＾??－＂Ｉ＇?Ｉ?Ｉ?Ｉ?２?Ｉ?Ｉ??？？ｎ??＝＾＾■１＝?！：?￣ｆ＾??：ｖｉ＾??Ｉ｜Ｉ｜｜Ｉ｜｜｜??—ｌｉｍｎ?：彿，??三?．．．??图１－４碳纤维复合材料界面区域力调制ＡＦＭ照片和模量分析??Ｆｉｇ．?１?－４?Ｆｏｒｃｅ?ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ?ＡＦＭ?ｉｍａｇｅｓ?ａｎｄ?ｍｏｄｕｌｕｓ?ａｎａｌｙｓｉｓ?ｏｆ?ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ?ｒｅｇｉｏｎ?ｏｆ?ＣＦＲＰ??Ｃｈｅｎ?Ｌｅｉ?ＰＩ等分别在碳纤维表面物理吸附氧化石墨烯（ＧＯ）和化学接枝氨基化的??氧化石墨烯（ＳＧＯ）。尽管ＧＯ和ＳＧＯ都实现了界面相增刚，可是ＧＯ间的范德华力??作用驱使ＧＯ在界面相堆叠团聚，而ＳＧＯ氨基与环氧树脂基体之间的化学键作用实??现了均匀分布ＳＧＯ网络的界面相构筑（图１－５），其形成的模量过渡层结构更优，将??裂纹阻挡在ＳＧＯ网络内偏转，有效增加了裂纹传播的途径。??（ＪＵ??图１－５?ＧＯ和ＳＧＯ改性的碳纤维表面ＳＥＭ照片??Ｆｉｇ．?１－５?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｆｉｂｅｒ?ｍｏｄｉｆｉｅｄ?ｂｙ?ＧＯ?ａｎｄ?ＳＧＯ??通过控制碳纳米粒子与碳纤维的连接方式、碳纳米粒子的含量或者碳纳米粒子间??的作用力，可以实现刚性界面相的设计与调控，但是如何无损地实现碳纤维与碳纳米??粒子之间的强结合却成为难题。化学接枝方式能够缓解碳纳米粒子团聚现象，但是需??要事先氧化或酸化预处理来官能化碳纤维表面，而这又会导致碳纤维本体拉伸性能的??下降；物理吸附方式操作简单，然而碳纳米粒子往往随机分布在碳纤维表面，并且由??于范德华
ｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ?ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ?ｏｆ?ｐＨ－ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ?ｍｏｌｅｃｕｌａｒ?ａｓｓｅｍｂｌｙ?ｏｆ?ａｍｐｈｉｐａｔｈｉｃ??ｐｅｐｔｉｄｅ??Ｚｈａｎｇ?等设计合成芳香烃衍生物（ｐｏｌｙＡＥＭＡ），当溶液ｐＨ为８或１２时，??分子间的７Ｉ－７Ｃ作用主导分子聚集，而端氨基间的氢键作用驱动分子组装成纳米球和纳??米花；但是当溶液ｐＨ为２时，质子化的端氨基间的氢键（静电吸引作用）转变成静??电排斥作用，其强度甚至超过７ＷＣ作用，导致分子组装失败（图１－１７）。??ｓ？ｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｅ?ｉｎｔｏ?ｍｉｃｅｌｌｅｓ??＾?ａｔ?ａｒｏｕｎｄ?ｐＫａ?★??＼?Ｓ?ａ?Ｉ??＾?Ｉ?０?Ｉ?Ｉ??Ｉ１??ｓｏｌｖｅｎｔ?ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ??策?ｌ?一’??＝?ＰＭＩ－ＰＡＥＭＡ??图１－１７?ｐｏｌｙＡＥＭＡ的ｐＨ响应分子组装示意图??Ｆｉｇ．?１－１７?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｐＨ－ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ?ｍｏｌｅｃｕｌａｒ?ａｓｓｅｍｂｌｙ?ｏｆ?ｐｏｌｙＡＥＭＡ??凭借ｐＨ响应分子组装方法可以改变分子间的非共价键作用，进而促进分子的识??别、聚集与规整排布，相比蒸发诱导分子组装方法耗能大幅减少，但还是无法避免溶??液中分子无规则热运动对分子组装体系的影响。基底辅助分子组装是以基底表面吸附??分子并诱发成核组装，避免了分子无规运动对组装体系的负面影响。??１．３．１．２．２基底辅助分子组装??基底表面既是诱发分子组装的“成核剂”，又是约束分子组装的“束缚剂”。Ｓｏ??Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ?１１［４８】等分析了多肽衍生物在高定向热解石墨基底表面的分子组装行为，发??
【参考文献】：
期刊论文
[1]高刚度环氧树脂与高模碳纤维的界面相容和性能匹配[J]. 许鹏,李刚,于运花,杨小平. 复合材料学报. 2019(09)
[2]Anodic Oxidation on Structural Evolution and Tensile Properties of Polyacrylonitrile Based Carbon Fibers with Different Surface Morphology[J]. Zhaorui Li, Jianbin Wang, Yuanjian Tong and Lianghua Xu National Carbon Fiber Engineering Research Center, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China. Journal of Materials Science & Technology. 2012(12)
[3]PAN基高模量碳纤维[J]. 张学军. 新材料产业. 2010(11)
博士论文
[1]环氧树脂交联结构模拟及具有模量过渡层结构的碳纤维复合材料性能研究[D]. 杨青.北京化工大学 2014
本文编号：3565532
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－３碳纤维复合材料界面失效的示意图??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ?ｆａｉｌｕｒｅ?ｏｆ?ＣＦＲＰ??１．２．１碌纳米粒子增刚界面相??
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【参考文献】：
期刊论文
[1]高刚度环氧树脂与高模碳纤维的界面相容和性能匹配[J]. 许鹏,李刚,于运花,杨小平. 复合材料学报. 2019(09)
[2]Anodic Oxidation on Structural Evolution and Tensile Properties of Polyacrylonitrile Based Carbon Fibers with Different Surface Morphology[J]. Zhaorui Li, Jianbin Wang, Yuanjian Tong and Lianghua Xu National Carbon Fiber Engineering Research Center, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China. Journal of Materials Science & Technology. 2012(12)
[3]PAN基高模量碳纤维[J]. 张学军. 新材料产业. 2010(11)
博士论文
[1]环氧树脂交联结构模拟及具有模量过渡层结构的碳纤维复合材料性能研究[D]. 杨青.北京化工大学 2014
本文编号：3565532
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