炭纤维表面胺基化及其对复合材料界面的影响

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1、中国科学院山西煤炭化学研究所博士学位论文炭纤维表面胺基化及其对复合材料界面的影响姓名：胡培贤申请学位级别：博士专业：材料学指导教师：刘朗;杨永岗20081001摘要摘要炭纤维及其复合材料具有非常卓越的性能，如低密度、高比强度和高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、耐磨等，因而在高技术领域占有非常重要的地位。虽然炭纤维增强复合材料最初是为了满足航空航天和军工技术的要求而发展起来的，但目前也被广泛应用于现代工业，例如造船、核技术、电工电子、采矿、医药、运动器材、建筑、汽车等不同领域。未经表面处理的炭纤维制得的复合材料界面粘结较弱，故其应用

2、受到了极大的限制。因此，炭纤维在使用前必须经过表面处理。在了解了国内外炭纤维表面处理的基础上，本文开发了一种在炭纤维表面引入胺基官能团的方法。用此方法处理后，炭纤维一环氧树脂复合材料的界面剪切强度达到llOMPa以上，完全满足炭纤维的使用标准，并且使用这种方法处理炭纤维所用设备简单，操作方便，成本较低，易于实现工业化。通过采用X光电子能谱(XPS)、接触角测定仪、原子力显微镜(AFM)、万能材料试验机等评价手段研究了空气氧化、气相胺化和液相胺化处理对炭纤维表面元素、浸润性、表面形貌以及强度的影响。并采用三点短梁法、复合材料

3、界面评价测试仪和扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的层间剪切强度(ILSS)、界面剪切强度(IFSS)、复合材料断面形貌进行了考察，主要得到以下结论：1、采用氨气、多乙烯多胺(HEPA)和三乙烯四胺(TETA)处理均能在炭纤维表面引入氮元素。氨气处理后炭纤维表面氮元素含量增加1倍，多乙烯多胺和三乙烯四胺处理后能使氮元素含量增加到5％以上。在炭纤维表面增加的氮元素大多以胺基的形式存在。2、经过空气处理后，炭纤维表面形成片状尖蜂状态，强度明显下降。氨气处理后炭纤维表面形成了针状尖峰，强度不变。HEPA和TETA处理后，炭纤维表

4、面形貌未发生变化，但炭纤维强度略有升高。3、经过三种胺化方法处理后，炭纤维在环氧树脂中的浸润性均得到改善。4、未处理炭纤维复合材料的ILSS为90MPa；氨气处理后复合材料的ILSS最高达到102MPa；HEPA处理后最高达到l12MPa；而TETA处理可以达到llTMPa。炭纤维经HEPA和TETA处理后均能使其达到使用标准。5、TETA处理后，复合材料的断面形貌和东丽公司所产的炭纤维(T300)制炭纤维表面胺基化及其对复合材料界面的影响得的复合材料的断面形貌相似。其断裂模式属于内聚能破坏。6、利用原位红外漫反射和XPS

5、分析表明，氨气处理温度在500℃以上。炭纤维表面上的羟基和氨气反应，从而可在炭纤维表面引入胺基官能团。7、利用原位红外漫反射和XPS分析表明，液相胺化机理主要是：液相胺类物质受热分解成小分子物质，然后小分子胺类化合物和炭纤维表面的活性官能团反应，在炭纤维表面引入胺基。胺基官能团主要以酰胺的形式存在。关键词：炭纤维；树脂基复合材料；胺化处理；表面处理；AbstractABSTRACTCarbonfiber(CF)anditscomposites，owingtotheirexcellentpropertiessuch嬲lowd

6、ensity,highstiffness，hi曲specificstrength,hi曲specificmodulus，anti-fatigue,eorrossionresistance，andabilitytowithstandhightemperature，henceplayallimportantroleinhi曲七chareas．Althoughcarbonfiberreinforcedplasticcomposites(CFRP)aleinitiallydevelopedfortheaerospaceindust

7、ryanddefenseapplications，nowtheyareusedwidelyinmodemindustrysuchasshipbuilding，nucleartechnology,electricsandelectronics，mining，medicine，sportsequipment,architectureandautomobiles，etc．Withoutanysurfacetreatment，therewouldbeweakadhesionorpoorbondingbetweencarbonfib

8、ersurfaceandresinmatrix，andtheapplicationofCFRPwouldbegreatlylimited．Therefore，thesurfacetreatmentofCFisoneofthemostimportantprocessesinthepreparationof