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碳纤维加强双酚A型环氧树脂复合资料的研讨

削减字体  削减字体 宣布日期:2017-01-27  来历:复材操纵手艺网  阅读次数:686
焦点提醒:择要:碳纤维(CF)加强树脂基复合资料(CFRP)是进步前辈复合资料的典范代表,具备密度小、力学机能杰出、耐热、耐低温等长处,在
        择要:碳纤维(CF)加强树脂复合资料(CFRP)是进步前辈复合资料的典范代表,具备密度小、力学机能杰出、耐热、耐低温等长处,在航空航天、军事、汽车、体育等范畴具备首要的操纵远景,可是碳纤维外表滑腻呈惰性,与树脂基体的界面粘结性差,限定了CFRP复合资料机能的阐扬。针对这一题目,本文接纳PAN基碳纤维和双酚A型环氧树脂作为复合资料的加强相和树脂基体,睁开CF的外表处置及其CFRP复合资料界面机能的研讨。本文接纳氨水处置和浓HNO3处置碳纤维外表,经由进程单丝拔出尝试测试复合资料的界面连系强度来表征复合资料的界面粘结机能,并阐发了机器锚定和化学键合两种感化配合显现并对复合资料界面机能起改良感化时,两个身分之间的干系,和起主导感化的身分,对碳纤维与树脂间相容性机理的研讨具备晓得感化。

1、弁言

1.1碳纤维概述

        碳纤维是无机纤维在惰性氛围中经低温碳化和石墨化制成的纤维状碳,是一种高机能的进步前辈非金属资料。按照质料差别,碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)系碳纤维、沥青系碳纤维、黏胶系碳纤维、天然丝系碳纤维等。此中聚丙烯腈基碳纤维综合机能最好,产量占碳纤维总产量的90%以上。由于质料及制法差别,所得碳纤维的机能也不一样。按照力学机能的差别,碳纤维可分为超高强度碳纤维(UHS)、高强度碳纤维(HS)、超高模量碳纤维(UHM)、高模量碳纤维(HM)、中等模量碳纤维(MM)、通俗碳纤维等等。

       我国对碳纤维的研讨始于20世纪60年月,80年月起头研讨高强型碳纤维。今朝,操纵自立手艺研制的多数国产T300、T700碳纤维产物已到达国际同类产物水品。可是与国际水平比拟,国产碳纤维强度低、均匀不变性差、毛丝多、种类单一且价钱高贵,并且国际碳纤维总出产才能较小,不能知足国际的须要,仍需大批入口。这些都严峻影响了我国高新手艺的成长,特别限制了航空航天及国防兵工奇迹的成长,与我国的经济成长历程不相等。以是研制出产高机能和高品质的碳纤维以知足兵工和民用产物的须要,改变大批入口的场合排场,是以后我国碳纤维财产成长的火急使命。

       碳纤维具备石墨的根基布局,但不是抱负的石墨点阵布局,而是所谓的乱层石墨布局。在碳纤维构成进程中,其外表会构成各类细小的缺点,碳纤维的外表活性与处于边缘和缺点地位的碳原子数目有关。碳纤维的密度小,品质轻,相称于钢密度的1/4,铝合金密度的1/2;具备杰出的力学机能,热不变性杰出等长处。

1.2碳纤维复合资料

       固然碳纤维零丁利用阐扬某些功效,但它属于脆性资料,只要将它基体资料安稳地连系在一路时,才能有用阐扬其杰出的力学机能。是以,碳纤维首要用作复合资料中的加强相。今朝用处最广的是碳纤维加强树脂基复合资料。首要分为两大类:一类是热固性树脂,另外一类是热塑性树脂。热固性树脂由反映性低份子量预聚体或带有活性基团高份子量聚合物构成;成型进程中,在固化剂或热感化下停止交联、缩聚,构成不熔不溶的交联体型布局。在复合资料中常接纳的有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂和酚醛树脂等。热塑性树脂由线型高份子量聚合物构成,在必然前提下消融熔融,只产生物理变更。经常使用的有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯等。

       与传统资料比拟,碳纤维加强树脂基复合资料具备耐低温、耐侵蚀、品质轻、机器强度高的长处,不只在军事国防、航空航天等尖端范畴,在汽车、电子电器、体育用品等民用领
 
1.3复合资料的界面

       复合资料的界面是由复合资料中加强资料外表与基体资料外表彼此感化构成的。它不是简略的多少立体,而是包罗着两相之间的过渡地区的三维界面相,界面相内的化学构成、份子摆列、热机能、力学机能显现持续梯度性变更。界面相很薄,是准微观的,它的布局由加强资料与基体资料外表的构成及两者之间的反映机能决议的。在两相复合进程中,会显现热应力、界面化学效应和界面结晶效应,这些效应对复合资料的微观机能产生间接的影响。

       对纤维树脂基复合资料,其界面的构成能够分为两个阶段,第一阶段是基体与加强纤维的打仗与浸润进程。这一进程首要取决于纤维和基体的外表自在能,具备高外表自在能的纤维与基体浸润性好,粘结界面可构成大的份子间感化力,是以具备洼地粘结强度;第二阶段是纤维与基体间经由进程彼此感化来使界面牢固上去,构成牢固的界面层。这一阶段受第一阶段的影响,同时也间接决议着所构成界面层的布局。

2、界面层的感化机理简介

       在构成复合资料的两相中,普通总有一相以溶液或熔融的活动状况与另外一相打仗,而后经固化反映使两相连系在一路构成复合资料。在这一进程中,两相间的感化机理一向是人们所关怀的题目。今朝,有关复合资料界面感化机理首要有以下几种实际:

2.1机器粘结实际

       机器粘结实际以为纤维外表存在高低不平的峰谷和纤细的孔洞布局,当树脂基体添补并凝结后,树脂和纤维外表产生机器性的互锁景象,而此种粘接感化的强弱与纤维外表的粗拙水平及树脂基体在复合资料制备进程中对纤维的润湿性巨细有很大的接洽干系。

2.2化学键合实际

       化学键合实际以为要使纤维与树脂基体间完成有用的粘结,两相的外表应含有能彼此产生化学反映的活性基团,经由进程官能团的反映以化学键连系构成界面。若两相之间不能间接停止化学反映,也可经由进程偶联剂的前言感化以化学键的体例彼此连系。外表处置在纤维外表引入-COOH、-OH等活性基团,使纤维与树脂基体在界面构成化学键,进步了纤维与树脂基体的反映才能与粘结强度。今朝,化学键合实际是操纵最广也是操纵最胜利的实际,可是有些景象难以用化学键合实际做出使人对劲的诠释。

2.3过渡层实际

       复合资料成型时基体和加强体的热缩短系数相差很大,在固化进程中,两者界面上就会产生附加应力,此处成型时固化缩短也会产生内应力。过渡层实际以为在基体和加强体的界面存在一个过渡层,能够起到应力败坏的感化。一种实际以为过渡层是塑性层,塑性层的形变能起到败坏应力的感化。另外一种实际以为过渡层是模量介于基体和加强体之间的界面层,它能起到均匀通报应力的感化。

2.4分散实际

       分散实际是由Borozncui起首提出的。该实际以为高聚物间的彼此粘结是由外表大份子彼此分散而至,即两相的份子链彼此分散、渗入、缠结而构成界面层,从而有益于进步界面粘结强度。分散实际有很大范围性,比方,高聚物粘结剂与无机物之间明显不会产生界面分散题目。

2.5静电实际

       静电实际以为一切的粘结景象大局部可诠释为界面上的电荷转移而产生电双层,两个打仗的外表各带差别的正负电荷,就犹如化学酸碱反映或键连系离子感化,此种连系气力的巨细视电荷的密度而定,这类感化在玻璃纤维复合资料中,对增添偶联剂而言长短常首要的,硅烷类偶联剂便可能构成正负离子的效应,使得电荷彼此吸收而到达粘结的目标。但静电理
 
2.6磨擦实际

       磨擦实际以为,基体与加强资料界面的构成完整是由于磨擦感化,基体与加强资料间的磨擦系数决议了复合资料的强度。处置剂的感化在于增添了基体与加强资料间的磨擦系数,从而使复合资料的强度进步。该实际可较好的诠释复合资料界面受水等小份子物资浸入后强度降落,枯燥后强度又能局部规复景象。水等小份子浸入界面使基体与加强资料间的磨擦因数减小,界面通报应力的才能削弱,故强度降落。枯燥后界面水份削减,基体与加强资料间的磨擦因数增大,通报应力的才能增添,故强度局部规复。

       复合资料的基体与加强资料间界面的构成和粉碎是一个极为庞杂的物理和化学进程,今朝人们对界面的熟悉还不够深切,还不一种实际能完美的诠释各类界面景象,界面实际还有待进一步成长和完美。

3、氨水和浓HNO3对碳纤维外表处置及其加强环氧树脂界面机能研讨
3.1氨水改性碳纤维及其加强环氧树脂复合资料界面机能研讨尝试局部

       碳纤维外表滑腻且呈化学惰性,与基体浸润性差,不能与基体停止有用粘合。是以,要取得界面连系机能杰出的碳纤维复合资料,必须对其停止外表处置,经由进程外表处置能够改良碳纤维的外表浸润性,产生合适于粘结的外表形状,从而进步复合资料的界面连系机能。

       复合资料界面机能的进步首要归功于纤维外表粗拙度的增大和纤维外表极性官能团的增添这两个身分。在对纤维停止外表处置时,这两个身分常常同时显现并对复合资料的界面机能的改良同时起感化,这两个身分之间的干系,和是不是存在对复合资料界面机能的进步起首要感化的身分,今朝尚不被弄清晰,这就须要对这两个影响身分停止别离研讨。

       尝试当选用PAN基碳纤维和双酚A型环氧树脂作为复合资料的加强体和树脂基体,接纳氨水处置体例对碳纤维外表停止改性。考查在24h、48h、72h、96h、120h差别处置时候下,对碳纤维加强环氧树脂复合资料的界面粘结机能的影响停止了研讨。

3.2成果与会商

       界面连系强度(IFSS)是评估加强纤维与树脂基体界面粘结黑白的一个首要机能。我接纳单丝拔出尝试的体例获得碳纤维加强环氧树脂复合资料的界面连系强度,并研讨了外表粗拙度对碳纤维加强环氧树脂复合资料界面粘结机能的影响。图3-1为A-CF/EP复合资料的界面连系强度。

       由图3-1可见,A-CF/EP复合资料的界面连系强度均高于CF/EP复合资料的界面连系强度,处置时候别离为24h、48h、72h、96h时,界面连系强度别离进步了2.4%、5.2%、30.3%和31.9%,处置时候为120h时,复合资料的界面连系强度进步幅度最大,进步了55.0%。这是由于氨水处置碳纤维的刻蚀感化在其外表上构成了份子尺寸的刻蚀坑,大大进步了碳纤维外表的粗拙度和增大了其比外表积。当碳纤维与环氧树脂复合时,环氧树脂添补到碳纤维外表的刻蚀孔洞,冷却后碳纤维与环氧树脂之间就天生了高低不平、犬牙交织的界面,从而产生杰出的机器锚定效应,使得复合资料的界面粘结强度获得增大。固然永劫候处置使纤维的单丝拉伸强度有所降落,可是复合资料界面粘结的加强有益于外界应力在纤维和树脂基体之间的通报,以是处置后A-CF/EP复合资料的界面连系强度依然进步了。
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图3-1 A-CF/EP复合资料的界面连系强度

3.3浓HNO3改性碳纤维及其加强环氧树脂复合资料界面机能研讨尝试局部

       研讨了纤维外表粗拙度的增大和纤维外表极性官能团的增添这两个身分同时存在时,若何配合对碳纤维加强环氧树脂复合资料界面机能的进步起感化,还切磋了这两个身分之间的干系和哪个身分对复合资料界面机能的进步起主导感化。尝试当选用PAN基碳纤维和双酚A型环氧树脂作为复合资料的加强体和树脂基体,接纳浓HNO3处置体例对碳纤维外表停止改性。考查在10min、20min、30min、60min、90min、4h、10h差别处置时候下,对碳纤维加强环氧树脂复合资料的界面粘结机能的影响身分停止了研讨。

3.4成果与会商

       图3-2为浓HNO3处置时候对碳纤维加强环氧树脂复合资料的界面连系强度的影响。从图中能够看出,跟着浓HNO3处置时候的增添,复合资料的界面连系强度显现先增添后减小的趋向,在处置时候为90min时到达最大值44.5MPa,与CF比拟增添了77.2%。
随浓HNO3时候增添,复合资料的界面连系强度显现先增添后减小的趋向,在处置时候为90min时到达最大值44.5MPa,与CF比拟增添了77.2%。纤维外表粗拙水平变更不大时,外表含氧活性官能团的数目敏捷增添,已能够与树脂基体在界面构成很强的化学粘结,可是在浓HNO3下处置10min和20min时的复合资料的界面连系强度与未处置的比拟,增添幅度并不大,别离为2.4%和4.8%,这申明在浓HNO3处置碳纤维时起到的归天双效感化中,机器锚定感化对复合资料的界面粘结起主导感化。
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图3-2 N-CF/EP复合资料的界面连系强度

4、论断

       本文别离接纳氨水和浓HNO3对碳纤维停止了两种差别性子的外表处置,研讨了两种处置体例对碳纤维外表特征对其加强环氧树脂复合资料界面机能的影响,得出以下论断:
       1) 氨水处置以刻蚀感化为主,能使碳纤维外表粗拙度有差别水平的增添,但外表化学活性不受影响。
       2) 浓HNO3处置起归天双效的感化,能够同时增添碳纤维外表粗拙度和外表活性挂能团的数目。
       3) 永劫候氨水处置能够使碳纤维加强环氧树脂复合资料的界面构成更好地机器锚定感化,在氨水处置120h时复合资料有最好的界面连系强度;浓HNO3处置使纤维相和树脂相两者间的化学键合和机器锚定两种界面感化力获得加强,这时候机器锚定感化对复合资料的界面粘结起主导感化,处置90min时复合资料的界面连系最好,界面连系强度为44.5MPa;固然A-CF120的外表粗拙水平高于N-CF90,但其复合资料的界面粘结强度低,申明固然EP份子嵌入碳纤维外表的空地构成机器粘结有益于增添复合资料的粘结强度,但机器的嵌合缺少充足的柔性,在蒙受载荷时轻易产生脆断。
 
 
 
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