基于碳纳米管改性碳纤维增强环氧复合材料的力学、界面和抗疲劳性能

发布时间：2019-11-21 05:01

【摘要】：随着碳纤维(CFs)增强环氧树脂(EP)基复合材料在航空航天、风力发电、体育器材等众多领域的广泛应用,人们对复合材料的性能提出了更高的要求,所以对复合材料改性的研究显得尤为重要。碳纤维/环氧复合材料是三相结构,包括增强体(碳纤维)、基体(环氧树脂)和界面,所以复合材料的性能也是由碳纤维、树脂基体和界面的性能共同决定的。由于碳纳米管(CNTs)独特的结构和优异的性能,已经被广泛应用于提高复合材料的性能。CNTs对复合材料的改性一般是基于基体改性或者界面改性,但目前关于界面改性和基体改性系统比较和研究的文献报道还比较少。本课题选择超声共混和电泳沉积的方式分别将CNTs引入到单向碳纤维增强环氧复合材料的树脂基体中和碳纤维表面,系统的研究和比较了两种改性复合材料的力学、热、界面和抗疲劳性能,以及两种改性方式中CNTs对复合材料性能的影响机制。我们创新地应用扫描电镜上的能谱分析功能(EDX)辅助单纤维破碎实验表征界面剪切强度(IFSS),结果发现基体改性的复合材料(CF/EP-CNTs)和界面改性的复合材料(CF-CNTs/EP)的界面剪切强度分别提高了 10.14%和45.2%。此外,CF/EP-CNTs和CF-CNTs/EP复合材料的拉伸强度分别提高了 10.41%和24.42%。经过30,0000次拉-拉模式下的疲劳损伤后,CF-CNTs/EP的剩余拉伸强度保留率提高了 3.84%,且经过相同次数的疲劳加载后,CF/EP-CNTs的剩余拉伸强度保留率提高了 1.21%。另外,经过超声C扫描检测发现CF-CNTs/EP的内部疲劳损伤情况明显要比CF/EP-CNTs小。为了明确CNTs在基体改性和界面改性中对复合材料性能的影响机制,分别采用扫描电镜的能谱分析功能(EDX)、力调制原子力显微镜(f-AFM)和透射电镜(TEM)对复合材料的界面处元素分布、模量分布和界面结构进行了分析表征。结果发现,在CF-CNTs/EP中,部分CNTs可以在复合材料成型和固化期间扩散到碳纤维周围的树脂基体中,这可以使基体变得坚韧并形成了可以显著降低应力集中的梯度界面层。对于CF/EP-CNTs来说,与树脂共混的CNTs仅仅是增韧了树脂基体,并没有形成梯度界面层。界面改性可以使复合材料拥有比基体改性更优异的力学性能、界面性能和抗疲劳性能,更能满足人们对碳纤维/环氧复合材料性能越来越高的需求。因此界面改性在纤维增强复合材料中比基体改性具有更大的优势。
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ327.3

【参考文献】

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本文编号：2563856