碳纤维增强环氧复合材料的界面自组装

为了在分子水平上对增强体表面、界面相进行有目的的控制,采用一种新的碳纤维表面改性方法-分子自组装.表面增强拉曼散射光谱(SERS)分析证实了一系列不同链长的羟基取代烷基硫醇化学吸附在镀银的碳纤维表面,并形成了竖直取向的自组装膜结构.微脱粘界面性能测试表明,经组装改性后的碳纤维和环氧复合后界面粘结强度得到了不同程度的提高,揭示了界面区域组装分子链长和界面性能的关系.     

碳纳米管改性乳液上浆剂对炭纤维复合材料界面性能的影响

采用碳纳米管改性环氧树脂乳液上浆剂和未改性上浆剂对聚丙烯腈(PAN)基炭纤维进行表面上浆。通过激光粒度仪研究两种乳液的稳定性。采用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线光电子能谱仪(XPS)与原子力显微镜(AFM)研究未改性及改性上浆炭纤维的表面结构,并用HM410界面评价装置研究炭纤维复合材料的界面性能。结果表明,碳纳米管改性后,乳液稳定性得到提高。上浆后,炭纤维表面粗糙度增加73.1%,同时接触角减小11.9%,且炭纤维表面的含氧官能团含量增加45.96%。此外,改性炭纤维复合材料的界面性能得到明显改善。当碳纳米管在上浆剂中质量分数为0.75 w t%时,炭纤维单丝的界面剪切强度较之未改性炭纤维提高14.7%。     

单丝拉伸断裂法探究上浆剂改性炭纤维与聚碳酸酯的界面黏结性

为了探究不同上浆剂对炭纤维/聚碳酸酯复合材料界面黏结性的影响,采用自制水性聚碳酸酯乳液、聚醋酸乙烯酯乳液、聚氨酯乳液与聚乙烯乳液等上浆剂对炭纤维进行表面改性。采用红外光谱(IR)和热重-质谱联用(TG-MS)仪分析上浆剂的化学结构;采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)与热重分析仪(TG)等研究上浆改性炭纤维的表面结构。为了量化地分析炭纤维与聚碳酸酯的界面剪切强度,采用单丝拉伸断裂法得到界面剪切强度。结果表明,水性聚氨酯乳液上浆改性后的炭纤维与聚碳酸酯的界面剪切强度最高(29.19 MPa),这是由于聚氨酯中含有较多的氨酯键,可与树脂形成较多的氢键。相对而言,水性自制乳液与聚醋酸乙烯酯乳液涂层后的炭纤维与聚碳酸酯之间只有物理吸附作用,因此界面黏结性略弱。     

炭纤维阳极氧化对活性污泥固着性能的影响

通过炭纤维电化学表面改性及动态固着代替静态固着,发现好氧池中处理后的聚丙烯腈(PAN)基炭纤维固着能力更好。对改性后炭纤维的表面形貌、表面官能团的种类和含氧官能团的含氧量进行了表征,并根据动、静态固着效果,分析了影响活性污泥固着的关键因素。SEM表面形貌观察表明经过电化学刻蚀后,炭纤维表面粗糙度的增加有利于形成活性污泥的固着。XPS分析显示,电化学表面改性后,C-C键、羧基、羰基等官能团影响活性污泥的表面固着效果,其中羧基的影响最为显著,另外,表面化学吸附氧对活性污泥固着有促进作用。     

纳米SiO2改性炭纤维乳液上浆剂的性能评价

采用纳米SiO₂改性环氧树脂乳液上浆剂和未改性乳液上浆剂对聚丙烯腈(PAN)基炭纤维进行表面上浆。通过静置沉淀法和光学显微镜评价了两种乳液的稳定性。利用扫描电子显微镜(SEM)、 X射线能谱仪(EDS)、 原子力显微镜(AFM)和动态接触角测试仪(DCAA)研究了未上浆、 未改性和改性上浆炭纤维的表面性能, 并用单纤维碎裂法探讨了上浆剂对炭纤维与环氧树脂界面黏结的影响。结果表明: 未改性和经纳米SiO₂改性的两种乳液粒径较小, 稳定性较好, 而前者优于后者。上浆后, 炭纤维表面的粗糙度和表面能都增大, 而且最大值出现在改性乳液上浆炭纤维的表面。改性乳液上浆单纤维复合材料拥有最大的界面剪切强度(IFSS), 比未改性上浆的高出27.2%; 改性上浆炭纤维与基体的调和平均黏结功(W(h)_a )和几何平均黏结功(W(g)_a )也分别高出未改性上浆的12.7%和11.7%。      

自组装表面改性对医用镁合金耐蚀性能的影响研究

镁合金作为可降解金属生物材料受到人们广泛的关注,然而,它们在生理环境下的快速降解限制了其应用。首先采用碱热处理在镁合金(AZ31B)表面形成钝化层,进而分别自组装3-磷酰基丙酸、3-氨基丙基-三甲氧基硅烷(APTMS)和多巴胺,研究表面改性后材料的耐蚀性能。衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)及水接触角的实验结果表明,3种分子成功地自组装到碱热处理的镁合金表面;电化学实验、浸泡实验以及浸泡溶液pH变化实验的结果表明,碱热处理有效提高了材料的耐蚀性能,表面自组装改性后,其耐蚀性能进一步提高,其中自组装3-膦酰基丙酸分子的镁合金的耐蚀性最好。     

骨植入材料表面生物化改性研究进展

评述了近年对骨植入材料进行表面生物化改性的研究进展.第一部分是简要的概述.第二部分涉及通过物理吸附或化学作用使黏附性蛋白、生物活性肽、生长因子和某些生物分子等结合到骨生物材料表面,以及这些蛋白质与钙磷共同结合到材料表面.第三部分综述了自组装单层(SAMs)和微模型化(Micropattern)技术在骨生物材料表面改性方面的研究现状.     

利用胶原-肝素自组装多层膜改善纯钛表面血液相容性的研究

为了改善钛表面的血液相容?用层层自组装技术将抗凝药物肝素和细胞外基质成分之一的胶原层层交替吸附到钛表面,形成多层薄膜,使具有良好的抗凝血功能.钛通过氢氧化钠处理表面带负电,在聚赖氨酸溶液中会吸附一层带正电的聚赖氨酸,然后将其交替浸泡于带负电的肝素和带正电的胶原中形成自组装薄膜.通过傅立叶红外漫反射(FTIR)检测材料表面基团的变化,通过测水接触角的方法跟踪组装过程,通过扫描电子显微镜(SEM)观察材料表面形貌的变化.血小板黏附实验显示钛改性后表面血小板黏附量明显减少,且反映血小板激活程度的P-selectin的表达量结果也显示,钛改性后表面血小板激活程度显著降低,活化部分凝血活酶时间(APTT)和外源性凝血系统的凝血酶原时间(PT)的实验显示钛改性后表面凝血时间延长,血液相容性得到改善.研究说明这种方法对于心血管材料钛的改性有重要价值.     

氧化石墨烯/炭纤维复合增强体的制备及对环氧树脂复合材料界面性能影响

为了改善炭纤维/环氧树脂复合材料的界面性能,以对硝基苯胺为原料,通过两步重氮化还原反应,在炭纤维表面共价接枝氧化石墨烯,制备出氧化石墨烯/炭纤维(GO/CF)复合增强体。研究了反应机理,并对改性前后炭纤维表面的化学结构、微观形貌、表面粗糙度、单丝拉伸强度和炭纤维/环氧树脂复合材料的界面性能等进行了测试分析。结果表明,接枝GO后,炭纤维表面粗糙度增加了188%,单丝拉伸强度提高了13. 2%,断裂伸长率增加12. 1%,界面黏结强度提高了80. 2%。     

铁、不锈钢表面自组装膜的表征及其电化学研究

自组装膜(SAMs)是分子在溶液(或气态)中自发通过化学键牢固地吸附在固体基底上而形成的有序分子膜.由于其堆积紧密、结构稳定,因而具有抑止腐蚀的作用.铁在空气中易氧化,表面均有一层氧化铁,且很难处理,因此关于铁和不锈钢金属表面自组装膜的报道较少.在铁金属表面上组装膜主要集中在烷基硫醇体系,由于烷基硫醇的毒性以及自组装膜的不稳定性,如何寻找新型缓蚀剂在铁表面组装受到广泛的关注.通过研究发现咪唑啉衍生物和巯基三氮唑是一种低毒、高效的金属缓蚀剂,对抑制铁在酸性溶液中的腐蚀尤其有效.采用各种表面分析测试手段与理论化学方法,如分子模拟,研究缓蚀剂在金属表面形成自组装膜的作用机理,也是今后发展的一个方向.本文中合成了两种咪唑啉衍生物(IM)及巯基三氮唑缓蚀剂并表征,并测定其在电极表面组装后铁的电化学腐蚀行为及缓蚀效率.同时采用表面分析的方法如扫描电化学显微镜(SECM)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析(EDS)对金属表面进行了分析,并用分子模拟的方法对可能的吸附形态进行了理论分析,以分子力学为基本方法,主要研究了铁表面自组装体系,探讨了分子层次的吸附构象以及吸附的稳定性,探讨了其缓蚀机理.(1)咪唑啉在铁表面的自组装膜的研究咪唑啉类缓蚀剂是对环境友好的性能优良的缓蚀剂.因其结构的特殊性,含五元杂环、长的烷基链及功能基团的胺基,其中咪唑啉环上的氮易与铁配位,且p-π共轭体系的咪唑啉以及环上引入供电子基团,能增强氮与铁的化学吸附作用.本文用硬脂酸或松香酸与二乙烯三胺减压下加热脱水制得咪唑啉(IM)咪唑啉衍生物.对两种(IM)在铁表面的组装性能进行比较,用电化学的方法对(IM)在铁表面上的自组装进行研究,主要运用电化学阻抗谱和极化曲线的方法测定缓蚀效率.用表面分析的方法如XPS、SEM等对自组装前后表面的组成腐蚀形貌进到了相应的比较,得出IM在铁表面形成了稳定、均匀的SAMs.电化学阻抗测谱测试结果表明,咪唑啉化合物在酸性溶液中对铁具有良好的缓蚀能力.阻抗谱图均表现为较好的单一容抗弧,用等效电路拟合计算的缓蚀效率与极化曲线法测试所得结果基本一致.其实验结论为:电化学阻抗谱和极化曲线的结果表明咪唑啉缓蚀剂自组装膜对铁有较高的缓蚀作用;XPS的结果表明,咪唑啉分子吸附在金属铁的表面形成SAMs.分子模拟的方法预测了IM在铁表面的吸附形态,表明N原子吸附在铁的表面.分子模拟的方法可预测SAMs的吸附构型.SECM给出了SAMs在基底表面的高分辨率的形貌图,根据靠探针感应到的电流大小可定量的表征自组装膜.采用的恒高度模式,针尖Z方向的位置不受反馈控制,X和Y轴的扫描范围是1mm.其工作模式是基底产生/探头收集,以研究发生在探头针尖与基底间隙的化学动力学过程并对表面浓度进行检测.组装IM后对铁基底的溶解有抑制作用,阻碍了电荷转移过程;从线扫描的曲线及面扫描的三维图中可看出组装之后的铁电极比空白的铁电极表面的探头电流更趋向于平和,没有空白铁电极那么大的电流起伏.在铁电极表面形成的SAMs膜对电极在溶液中发生的氧化还原反应起阻碍作用.松香基咪唑啉形成的SAMs膜与硬脂酸咪唑啉形成的SAMs相比,SECM检测的探头法拉第电流更小,表明松香基咪唑啉的SAMs膜对铁有更好的保护作用,抑制了电荷的转移.SECM的结果与电化学交流阻抗谱和极化曲线的实验结果相一致.(2)巯基三氮唑在铁上自组装膜的表征有目的地设计合成了三氮唑类化合物并对其缓蚀性能进行了较系统的研究.巯基三氮唑及其衍生物由于分子中含有多个杂原子(N,S),能提供孤对电子,进入铁原子空的轨道,产生多个吸附中心,通过配位键化学吸附到金属的表面上而形成SAMs.通过对长烷基巯基三氮唑(AAMT)在铁上的SAMs的研究表明AAMT是一种混合型缓蚀剂,且随着组装时间(15min～4h)的延长,缓蚀效率增加.电化学阻抗谱和极化曲线的结果表明,三氮唑缓蚀剂自组装膜对铁有较高的缓蚀效率,且二者的实验结果相一致;XPS的结果表明,三氮唑分子吸附在铁的表面形成SAMs;从SEM的分析得出,在金属铁的表面形成了一层自组装吸附膜,且SAMs膜对铁在硫酸中的腐蚀起到了保护作用,组装前后铁的腐蚀形貌发生了明显的变化.分子模拟的结果表明,咪唑啉分子中的N原子、S原子与铁成键,且五元杂环平铺在金属铁的表面,而长的烷基支链却发生倾斜,疏水基长烷基的存在增加了吸附膜的厚度,从而达到了缓蚀目的.(3)用SEM和SECM对IM在不锈钢表面自组装的初步探讨不锈钢由于其结构的特殊性,含的成分太多,组装比较困难.本文用SEM表征了咪唑啉在不锈钢表面组装后腐蚀形貌的变化,并用SECM法表征了组装前后法拉第探头电流大小的变化.SAMs在电极表面生成了一层"屏障",将电极与溶液中具有氧化还原活性的分子部分屏蔽起来,使得溶液中的氧化还原产物之间的转化不再与裸电极表面一样容易发生.表面形成SAMs,而且该膜改变了原来电极表面的物理与化学特性,对基底有一定的保护作用.     

碳纤维／PF尼龙复合材料性能及界面研究

制备了碳纤维／ＰＦ尼龙复合材料，采用Ｘ光电子能谱仪及化学滴定法定量分析了碳纤维表面的含氧状况，利用扫描电镜研究了碳纤维的表面形态及碳纤维／ＰＦ尼龙复合材料的界面形态，探讨了碳纤维表面形态和含氧量对复合材料力学性能和界面粘结状况的影响。结果表明，规整ＣＦ表面的羧基与ＰＦ尼龙分子中的胺基发生化学键合是复合材料具有良好力学性能及界面具有良好粘结的主要因素。     

Interfacial microstructure and mechanical properties of carbon fiber composites by fiber surface modification with poly(amidoamine)/polyhedral oligomeric silsesquioxane

Polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) was grafted onto carbon fiber surface using poly(amidoamine) (PAMAM) as a novel coupling agent at mild reaction conditions. Firstly, the reinforcement was designed with propagation of PAMAM on the fiber surface by in situ polymerization to improve the surface activities of carbon fiber. Secondly, the POSS further grafted on the fiber could significantly enhance fiber surface energy and wettability, which would greatly increase the interfacial strength of fiber-matrix. The microstructure and mechanical properties of carbon fiber and the resulting composites were investigated. The results indicated that PAMAM and POSS, which could significantly increase the surface roughness and wettability of carbon fiber, were successfully grafted on the fiber surface. Compared with the desized fiber composites, the interlaminar shear strength and the interfacial shear strength of the modified carbon fiber composites increased by 48% and 89%, respectively.     

炭纤维特性与炭纤维/环氧树脂界面断裂能关联分析

采用基于WND(Wagner-Nairn-Detassis)能量模型的单丝断裂法,测试了5种国产炭纤维、2种国外炭纤维与航空结构用环氧树脂复合体系的界面断裂能,通过SEM,AFM,IR以及XPS等手段分析了7种炭纤维的表面物理化学特性,并研究了炭纤维特性与界面断裂能的关联。结果表明:对于所研究的炭纤维/环氧树脂体系,去除炭纤维表面上浆剂后界面断裂能下降,说明上浆剂可以在一定程度上提高界面的韧性。此外,实验范围内,纤维拉伸强度较高时,测得的界面断裂能较高,炭纤维表面粗糙度较高时,测得界面断裂能较高,说明纤维拉伸性能和表面粗糙度对界面韧性有重要影响,而与这两种因素相比,上浆剂的种类影响相对较小。研究结果为高性能国产炭纤维的研发和炭纤维/树脂匹配性的评价提供了重要的实验数据。     

苯酚电聚合膜修饰炭纤维表面对 环氧基复合材料性能的影响

将连续炭纤维束用自制的空气梳分散成单丝状长带后, 通过采用循环伏安法的电化学方法将单体苯酚在炭纤维表面聚合成膜, 对炭纤维进行表面修饰, 以提高复合材料中炭纤维与树脂基体的界面粘结性能。红外光谱分析表明, 苯酚电聚合膜能够增加炭纤维表面的羟基、 醚键等活性官能团, 从而提高炭纤维与环氧树脂基体的界面粘结强度。与未进行表面修饰的炭纤维增强环氧树脂复合材料相比, 以聚苯酚膜修饰的炭纤维单丝带增强的环氧树脂基复合材料横向拉伸强度最大提高了90%, 纵向拉伸强度最大提高了45%, 层间剪切强度最大提高了110%。实验也表明, 将炭纤维束分散成炭纤维单丝带后能够更有效地增强复合材料的各项力学性能。      

Effect of phenoxy-based coating resin for reinforcing pitch carbon fibers on the interlaminar shear strength of PA6 composites

Carbon fiber-reinforced thermoplastic composites have not been considered as constituent materials for structural parts due to the poor interfacial adhesion between the fiber and the thermoplastic matrix. In this work, polyamide 6 (PA6) composites with pitch carbon fibers (pCF) were fabricated by alternatively stacking PA6 films and pCF fabrics followed by being pressed. In order to improve the interfacial adhesion, phenoxy resin-based materials were coated on the surface of the fiber. The surface analyses of the fiber were carried out by XPS, TGA and dynamic contact angle method. Interlaminar shear strength (ILSS) of the composites was measured to evaluate the effect of the coating materials. The results showed that the composites with the coated pCF had higher ILSS than that with neat pCF by more than 20%. This indicated that a proper coating material can improve mechanical properties of the PA6 composites, which can be applied to the structural parts.     

Effect of a multiscale reinforcement by carbon fiber surface treatment with graphene oxide/carbon nanotubes on the mechanical properties of reinforced carbon/carbon composites

An effective carbon fiber/graphene oxide/carbon nanotubes (CF-GO-CNTs) multiscale reinforcement was prepared by co-grafting carbon nanotubes (CNTs) and graphene oxide (GO) onto the carbon fiber surface. The effects of surface modification on the properties of carbon fiber (CF) and the resulting composites was investigated systematically. The GO and CNTs were chemically grafted on the carbon fiber surface as a uniform coating, which could significantly increase the polar functional groups and surface energy of carbon fiber. In addition, the GO and CNTs co-grafted on the carbon fiber surface could improve interlaminar shear strength of the resulting composites by 48.12% and the interfacial shear strength of the resulting composites by 83.39%. The presence of GO and CNTs could significantly enhance both the area and wettability of fiber surface, leading to great increase in the mechanical properties of GO/CNTs/carbon fiber reinforced composites.     

硅溶胶改性碳纤维对碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能影响

以硅烷偶联剂和正硅酸乙酯(TEOS)为前躯体, 以固体酸-对甲苯磺酸为催化剂制备硅溶胶, 利用硅溶胶对碳纤维进行表面改性后, 以环氧树脂为基体, 制备碳纤维增强环氧树脂复合材料。利用SEM、 TEM、 万能试验机、 偏光显微镜等对表面改性前后的碳纤维形态、 力学性能及碳纤维/环氧树脂复合材料的界面性能进行表征, 研究了硅溶胶改性碳纤维对其复合材料界面性能影响。结果表明, 硅溶胶处理碳纤维后, 在碳纤维表面原位生成具有膜-粒结构的表面层, 改性后碳纤维的强度由2.41 GPa提高到3.00 GPa, 界面性能也得到了明显改善, 界面剪切强度(IFSS)提高了51.41%。     

Growth of monocrystalline CdS films on mica surfaces through amorphous interfacial layers of silicon monoxide and carbon by chemical transport reactions

The oriented crystallization of CdS through amorphous interfacial layers of silicon monoxide and carbon by the method of chemical transport reactions has been studied. Cleaved mica (muscovite) single crystals were used as substrates. The interfacial layer thicknesses ranged from 70 to 150 Å. The informative ability of the interfacial layers was checked using the method of decoration with anthraquinone. Epitaxial CdS films 3–15 μm thick were obtained on top of the amorphous interfacial layers, with the (0001) CdS plane parallel to the (001) cleavage plane of mica and the direction [10$\text{1}$0]_CdS coinciding with [110]_mica, which corresponds to the orientation of CdS films prepared directly on the mica surface. The structural perfection of CdS films obtained through interfacial silicon monoxide and carbon layers was practically the same as that of films grown on the mica surface with no interfacial layers. For interfacial layer thicknesses exceeding 120 Å for SiO and 100 Å for carbon, the informative properties of the layers vanished and the CdS films were polycrystalline. The suggestion is made that chemical transport reactions leading to oriented crystallization can proceed without direct contact of the reacting components with the surface of the single-crystal substrates.     

The interfacial shear strength of Kevlar fiber/epoxy composite measured by the microdroplet test

Epoxy chloropropane (ECP) grafting modification method was used for the surface treatment of Kevlar fiber to improve the interfacial adhesion of the Kevlar fiber reinforced epoxy composite. The surface characteristics of untreated and treated Kevlar fiber were characterized by Fourier transform infrared (FT‐IR) spectroscope. The interfacial shear strength between epoxy and Kevlar fiber was analyzed by measuring from microdroplet specimens adhered onto a single carbon fiber. Microdroplet specimens exhibited different results of the interfacial strength due to the Kevlar fiber surface treatment. The results showed that a larger shear stress concentration arose along the interface for the surface treated model than for the untreated one.