碳纤维增强环氧树脂复合材料性与结构及研究

《碳纤维增强环氧树脂复合材料性与结构及研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、1.1.1复合材料定义复合材料，是指把两种以上宏观上不同的材料，合理地进行复合而制得的一种材料，目的是通过复合材料来提高单一材料所不能发挥的各种特性。1.1.2EP/CF复合材料的应用环氧树脂（EP）/碳纤维（CF）复合材料具有比强度、比模量高，密度小，结构尺寸稳定，耐热、耐低温及材料性能可设计等优点，其既可以作为结构材料承载又可以作为功能材料发挥作用，已成为航空航天领域的首选材料。1.2双酚A型环氧树脂1.2.1双酚A型环氧树脂的定义双酚A型环氧树脂是由环氧氯丙烷与双酚A（二酚基丙烷）在碱性催化剂作用

2、下反应而生成的产物，1.2.2双酚A型环氧树脂的固化原理在环氧树脂的结构中有羟基（〉CH—OH）、醚基（—O—）和极为活泼的环氧基存在，羟基和醚基有高度的极性，使环氧分子与相邻界面产生了较强的分子间作用力，而环氧基团则与介质表面（特别是金属表面）的游离键起反应，形成化学键。因而，环氧树脂具有很高的黏合力，用途很广，商业上被称作“万能胶“。此外，环氧树脂还可做涂料、浇铸、浸渍及模具等用途。但是，环氧树脂在未固化前是呈热塑性的线型结构，使用时必须加入固化剂，固化剂与环氧树脂的环氧基等反应，变成网状结构的大分

3、子，成为不溶且不熔的热固性成品。环氧树脂在固化前相对分子质量都不高，只有通过固化才能形成体形高分子。环氧树脂的固化要借助固化剂，固化剂的种类很多，主要有多元胺和多元酸，他们的分子中都含有活波氢原子，其中用得最多的是液态多元胺类，如二亚乙基三胺和三乙胺等。环氧树脂在室温下固化时，还常常需要加些促进剂（如多元硫醇），已达到快速固化的效果。固化剂的选择与环氧树脂的固化温度有关，在通常温度下固化一般用多元胺和多元硫胺等，而在较高温度下固化一般选用酸酐和多元酸为固化剂。不同的固化剂，其交联反应也不同。1.2.3双

4、酚A型环氧树脂的结构双酚A型环氧树脂的大分子结构具有的特征有：1)大分子的两端是反应能力很强的环氧基；2)分子主链上有许多醚键，是一种线型聚醚结构；3)n值较大的树脂分子链上有规律地、相距较远地出现许多仲羟基，可以看成是一种长链多元醇；4)主链上还有大量苯环、次甲基和异丙基。1)环氧基和羟基赋予树脂反应性，使树脂固化物具有很强的内聚力和粘接力；2)醚键和羟基是极性基团，有助于提高浸润性和粘附力；3)醚键和C-C键使大分子具有柔顺性；4)苯环赋予聚合物以耐热性和刚性；5)异丙基也赋与大分子一定的刚性；6)

5、-C-O-键的键能高，从而提高了耐碱性。1.3环氧树脂固化剂1.3.1环氧树脂固化剂的定义环氧树脂固化剂是与环氧树脂发生化学反应，形成网状立体聚合物，把复合材料骨材包络在网状体之中。使线型树脂变成坚韧的体型固体的添加剂。包括多种类型。1.3.4低分子聚酰胺树脂（型号650）1.3.4.1低分子聚酰胺树脂的性状低分子量聚酰胺树脂是一种透明的棕色或褐色粘稠液体，易溶于丙酮、乙醇等有机溶剂，毒性极小。分子内含有较长的不饱和脂肪烃碳链和氨基、羧基、酰胺基等活性基团，可与环氧树脂分子产生交联而固化；脂肪烃碳链交联

6、时能起内增塑作用，极大地提高了固化物的抗冲强度，固化物收缩性小，具有较好的粘结强度，柔韧性、绝缘性和抗化学品性1.4碳纤维1.4.1碳纤维概述碳纤维(CarbonFibre，CF)是一种耐高温、抗拉强度高、弹性模量大、质轻的纤维状材料。它是由有机纤维通过一系列阶段性的热处理碳化而制成的。碳纤维是将原料纤维在一定的张力、温度下,经过一定时间的预氧化、炭化和石墨化处理等过程制成的。炭化和石墨化都是在氮气中进行的，炭化反应是使非碳元素借分子间交链反应挥发出来。在热处理过程中，大量气体挥发后形成更多的石墨层状结

7、构，强度增大，模量增加，导电性也提高。纤维先由白色变为黄色，继而呈棕黄色，最后变为黑色。碳纤维属于过渡形式碳，其微结构基本类似石墨，但层面的排列并不规整，属于乱层结构。随着热处理温度的升高，碳纤维的结构逐步向多晶石墨转化。微晶是碳纤维微结构的基本单位。构成多晶结构的基元是六角形芳环的层晶格，石墨片层就是由层晶格组成的层平面。原纤以网状结构存在，它是由带状的石墨层片组成的微原纤构成的。原纤之间的界面方向错乱复杂，并且有长而窄的间隙存在。随着温度的升高，原纤沿纤维轴取向排列。温度越高，张力越大，择优取向角越

8、小，模量越高。层间距也随温度的升高而减小，趋近石墨的层间距(d002=0.3354nm)。纤维由二维乱层石墨结构向三维有序的石墨结构转变。目前各国工业用的碳纤维原料有聚丙烯腈纤维、粘胶丝和沥青纤维三种。聚丙烯腈基碳纤维性能好，炭化得率较高(50～60％)，因此以聚丙烯腈制造的碳纤维约占总碳纤维产量的95％。以粘胶丝为原料制碳纤维炭化得率只有20～30％，这种碳纤维碱金属含量低，特别适宜作烧蚀材料。以沥青纤维为原料时，炭化得率高达80～90％