碳纤维表面和界面性能研究及评价

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1、万方数据碳纤维表面和界面性能研究及评价学校代码：10255学号：1099165THERESEARCHANDEVALUATIONOFPERFoRMANCEoNTHECARBoNFIBERSURFACEANDINTERFACE专业名称：纺织工程作者姓名：张焕侠指导教师：李炜答辩日期：2014年07月19日万方数据东华大学学位论文原创性声明IIIIIilIIIIIRIIIIIIIiiIlllUIY2709084本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，

2、本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：弘妇日期：知l甲年7月如日万方数据东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密口，在——年解密后适用本版权书。不保密圈。学

3、位论文作者签名：指导教师签私欢似私理蛾日期：hIIfl年7,q加Et日期：垆M万方数据碳纤维表面和界面性能研究及评价摘要碳纤维作为一种新型无机材料，被广泛的应用于先进复合材料的增强体。碳纤维与基体间的界面对其复合材料性能的发挥起着非常重要的作用，通过界面有效地传递载荷，使碳纤维与基体形成～个具有高效综合性能的整体。而在界面的研究中，提高其碳纤维与基体的结合强度是改善复合材料力学性能的关键。因此，对碳纤维复合材料界面结合强度的各种影响因素进行分析，是提高复合材料综合性能的直接措施。首先，用自主研发的水性聚氨酯环氧树脂上浆剂对碳纤维上浆，探讨了上浆剂在

4、碳纤维裸丝及其复合材料界面性能的贡献。其次，重点研究了以等离子体接枝高聚物作为媒介物对碳纤维进行表面处理，来解决碳纤维／浆料的粘结强度等问题。系统分析了这种物理化学相结合的表面处理，后联合上浆的综合改性过程中碳纤维表面性能的变化规律，同时深入研究了综合改性处理后碳纤维表面、上浆剂以及基体树脂间复合界面的结合机理。采用扫描电镜(SEM)、动态接触角测试仪、X射线光电子能谱(XPS)、热重分析仪(TG)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)等测试技术表征了碳纤维及其复合材料的性能。碳纤维经自主研发的水性乳液聚氨酯浆料上浆剂处理后，力学性能有所提高，浆料起到了

5、补强的作用；同时有效地改善了毛丝量和耐磨性能；但耐水性能变差。在上浆前对碳纤维进行预烘干处理，能明显地提高上浆率和耐磨性。另外，碳纤维在浆槽中的浸胶时间和浆纱的烘干温度对碳纤维的性能也有重要影响。结合红外和XPS分析得出，浆料中的羟基、羰基和氨基等活性官能团经上浆后移植于碳纤维表面，能够明显改善纤维与树脂基体的浸润性能。同时，经过单纤维碎裂法测试碳纤维复合材料的IFSS验万方数据证，上浆后剪切强度得到明显提高，不同增塑剂上浆对碳纤维复合材料的界面结合性能影响很大。浆料中增塑剂的添加对碳纤维的耐磨性和毛丝量有很大影响，而对吸水性、表面粗糙度和表面能的

6、色散部分影响较小。结合常压介质阻挡放电等离子体的电学诊断分析得出：在常压环境下，影响等离子体放电状态的两个最重要的参量为放电功率与气体成份。放电功率的提升能提升等离子体区域的电子能量和密度，但两者并不成正比关系，尤其在发生氮一氧激发过程后，反而会降低其放电能量。同样的，气体成份中氧气比例过大也会引起这一变化。所以，在常压介质阻挡放电的过程中，可以针对这两个主要参数对放电过程进行一定优化。碳纤维经等离子体处理后表面沟槽略有加深。表面能分析得出，低压长时间的等离子体处理条件能达到与高压短时间的处理效果；且处理气氛中通入微量的氧对碳纤维表面自由能有极大影

7、响。轻微的等离子体处理条件能使得碳纤维的拉伸强度离散性降低。同时，得出了等离子体处理的最优工艺条件90s／60W。经等离子体引发上浆改性轻微地改善了碳纤维的上浆率、耐磨性能，表面能。此种方法较未经等离子体处理上浆碳纤维的拉伸强力变化不大。另外，等离子体表面处理后碳纤维表面粗糙度增加，碳纤维表面与浆料涂层间的机械啮合增强了上浆率，XPS也得出了碳纤维表面活性官能团增加了1．65％，当与环氧树脂基体制成碳纤维复合材料时，其界面剪切性能提高了19．29％。等离子体活化接枝实验结果表明过长的等离子体处理时间和过高的处理功率影响其接枝率。引入的酸酐基团发生交

8、联反应生成的聚合物颗粒产物使得碳纤维表面粗糙度增加。表面能随着接枝率的提高而增加，结合红外、热失重和XPS分析可知，经等离