凹凸棒土-氧化石墨烯_碳纤维复合材料低温界面性能研究.pdf

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1、硕士学位论文凹凸棒土-氧化石墨烯/碳纤维复合材料低温界面性能研究CRYOGENICINTERFACIALPROPERITESOFATTAPULGITE-GRAPHENEOXIDE/CARBONFIBERCOMPOSITES李君哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TB332学校代码：10213国际图书分类号：620密级：公开工程硕士学位论文凹凸棒土-氧化石墨烯/碳纤维复合材料低温界面性能研究硕士研究生：李君导师：矫维成教授申请学位：工程硕士学科：材料工程所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB332U.D.

2、C:620DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringCRYOGENICINTERFACIALPROPERITESOFATTAPULGITE-GRAPHENEOXIDE/CARBONFIBERCOMPOSITESCandidate：LiJunSupervisor：Prof.JiaoWeichengAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：Ju

3、ne,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要碳纤维复合材料因其高比强度、高比模量的特点，逐渐代替了传统的金属材料，成为了低温贮箱的首选材料。在液氧和液氢等超低温环境下，碳纤维复合材料处于深冷区，由于碳纤维与树脂基体的热膨胀系数存在较大差异，温度载荷作用下易在界面处形成微裂纹，造成界面脱粘，多个界面脱粘贯通在一起形成渗漏通道，导致复合材料低温贮箱失效。因此，本文重点研究如何解决超低温环境下，复合材料界面形成微裂纹导致界面脱粘，形成渗漏通道的问题。本文首先对复合材料界面进行设计，将具有优异性

4、能的碳纳米材料(氧化石墨烯)和纳米粘土(凹凸棒土)通过化学接枝法接枝至T300碳纤维表面，制备出凹凸棒土-氧化石墨烯/碳纤维微纳分级结构(CF-GO-ATP)，其中，横向尺寸是微米级的氧化石墨烯接枝在碳纤维表面形成微米结构，尺度较小的纳米级凹凸棒土接枝在氧化石墨烯片层上形成微纳结构。采用扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)等表征方法证明了氧化石墨烯和凹凸棒土通过化学键接枝在碳纤维表面。通过动态接触角测量仪测量了CF-GO-ATP与去离子水和乙二醇的动态接触角，并计算其表面能，计算结果表明其表面能相比于碳纤维原丝(CF)提升了65.6%。其次，针对低温贮箱装卸燃料过程中

5、的实际工况，设计了低温在线实验、液氮浸泡实验和室温/液氮温度循环实验。分别制备了CF/TDE-85和CF-GO-ATP/TDE-85单纤维复合材料，通过微滴脱粘法首次直接表征了复合材料的低温界面性能。测试结果表明，室温环境下，CF-GO-ATP/TDE-85单纤维复合材料的界面剪切强度相比于CF/TDE-85单纤维复合材料提高了49.1%；相比于室温环境下，低温环境下两种单纤维复合材料的界面剪切强度均发生提高。另外，CF-GO-ATP/TDE-85单纤维复合材料在超低温环境下的界面性能均优于CF/TDE-85单纤维复合材料，且CF-GO-ATP/TDE-85单纤维复合材料相对于

6、CF/TDE-85单纤维复合材料，能长时间处于超低温环境下而不降低其界面性能。最后，采用SEM对不同低温实验下的微滴脱粘试验断口形貌进行表征，结合现有的界面理论和低温环境下T300碳纤维和TDE-85环氧树脂的性质，对CF-GO-ATP在低温下的界面剪切强度和低温界面增强机理进行分析，为复合材料在超低温环境下的应用提供依据。关键词：碳纤维复合材料；氧化石墨烯；凹凸棒土；微纳分级结构；低温界面性能-I-AbstractAbstractCarbonfiberreinforcedresinmatrixcompositeshavegraduallyreplacedtraditional

7、metalmaterialsbecauseoftheirhighspecificstrengthandhighspecificmodulus,andbecomethefirstchoicematerialsforcryotanks.Underthecryogenicenvironmentsuchasliquidoxygenandliquidhydrogen,carbonfiberreinforcedresinmatrixcompositesareinthedeepcoldzone,andth