碳纤维表面改性对其复合材料界面耐原子氧性能的研究

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1、硕士学位论文碳纤维表面改性对其复合材料界面耐原子氧性能的研究STUDYONATOMICOXYGENEROSIONRESISTANCEFORTHEINTERFACEOFMODIFIEDCARBONFIBER/EPOXYCOMPOSITES郑楠哈尔滨工业大学2012年7月I国内图书分类号：TB332学校代码：10213国际图书分类号：540密级：公开理学硕士学位论文碳纤维表面改性对其复合材料界面耐原子氧性能的研究硕士研究生：郑楠导师：贺金梅副教授申请学位：理学硕士学科：高分子化学与物理所在单位：化工学院答辩日期：2012年7月授

2、予学位单位：哈尔滨工业大学IIClassifiedIndex:TB332U.D.C:540DissertationfortheMasterDegreeinScienceSTUDYONATOMICOXYGENEROSIONRESISTANCEFORTHEINTERFACEOFMODIFIEDCARBONFIBER/EPOXYCOMPOSITESCandidateZhengNanSupervisor：AssociateProf.JinmeiHeAcademicDegreeAppliedfor：MasterofScienceSpe

3、cialty：PolymerChemistry&PhysicsSchoolofChemicalEngineeringAffiliation：&TechnologyDateofDefenseJuly,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnologyIII哈尔滨工业大学理学硕士学位论文摘要当航天器运行在低地球轨道(LowEarthOrbit，LEO)中时，会受到空间环境中多种因素的影响，而原子氧(AtomicOxygen，AO)是其中最重要和最危险的因素，

4、原子氧效应会影响到航天器材料的正常物理、化学性能，从而减少航天器的有效运行寿命。碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料由于其各种优异的性能被广泛地应用于航天器材料中，但作为聚合物基复合材料，其极易受原子氧侵蚀，尤其当起其外保护涂层受到原子氧破坏后，界面易受到原子氧侵蚀而使材料性能进一步下降。针对这种情况，本文提出了一种在CF表面改性以提高CF/EP复合材料界面耐原子氧性能的方法。根据碳纤维和环氧树脂的特性，文中选取了两种改性体系，分别为金/硫醇体系和羟基化表面/有机硅烷体系。研究金/芳基硫醇自组装体系改性的CF/EP复合材料

5、界面，选择两种芳基硫醇分子对镀金后的CF表面进行自组装改性，分别为对氨基苯硫酚(ATP)和对羟基苯硫酚(HTP)。首先对镀金碳纤维进行扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线衍射(XRD)测试，结果表明：Au镀层致密均匀，且纯度很高。其次对自组装后的碳纤维进行表面增强拉曼光谱(SERS)和X-射线光电子能谱（XPS)测试，结果表明自组装分子在镀金碳纤维上发生了化学吸附。最后采用单丝拔出仪测试来研究CF/EP复合材料经原子氧暴露前后的界面剪切强度(IFSS)。结果表明：相比之下镀金后IFSS值下降，两种硫醇改性

6、后有所增加。而且，从复合材料进行原子氧暴露处理后IFSS的变化趋势看，对于未改性的CF/EP复合材料随着原子氧暴露时间的延长，IFSS急剧下降，2h内下降幅度达12.49%；而经Au镀层保护、HTP改性以及ATP改性的IFSS值8h内下降幅度分别为6.73%、3.70%和1.28%。对原子氧暴露处理后的CF进行AFM测试也得到了相同的结论，即Au镀层以及两种芳基硫醇自组装改性都可有效地提高CF/EP复合材料界面的耐原子氧性能。研究羟基化表面/有机硅烷体系改性的CF/EP复合材料界面，选择三种有机硅烷分子对羟基化的CF表面进行

7、改性，分别为甲基三甲氧基硅烷(MS)，γ−氨丙基三乙氧基硅烷(APS)，γ−(2,3−环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(GPS)。首先对氧化还原后碳纤维进行XPS和表面能测试，结果表明：获得了更大覆盖度的羟基化表面。其次对有机硅烷改性后的碳纤维进行XPS、FTIR和AFM测试，结果表明三种硅烷分子都在碳纤维上发生了化学吸附。最后采用单丝I哈尔滨工业大学理学硕士学位论文拔出仪测试研究CF/EP复合材料界面其原子氧暴露前后的界面剪切强度。结果表明：得到的IFSS都有了一定程度的提高，提高顺序为：环氧基硅烷>氨基硅烷>甲基硅烷。而且，

8、从复合材料进行原子氧暴露处理后IFSS的变化趋势看，纤维经三种硅烷改性后，其复合材料的界面剪切强度下降幅度小得多，分别为：8.45%、6.42%和5.32%，这也就说明了复合材料经有机硅烷改性后界面的耐原子氧性能提高了，其中以环氧基硅烷的效果最好。同时，原子氧暴露处理后的CF的AFM测试结