氧化石墨烯改性碳纤维/环氧树脂复合材料的湿热性能及微观形貌

采用湿法预浸技术和模压工艺制备了氧化石墨烯(GO)改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料,研究了GO在室温干态及湿热处理后对CF/EP复合材料动态热力学性能和层间剪切性能的影响,并通过微观形貌分析了复合材料的改性机制。结果表明,当GO添加量分别为0.5%和0.8%时,GO-CF/EP复合材料的玻璃化转变温度(T_g)得到明显提高,由CF/EP复合材料的184.4℃分别提高到197.7℃和199.5℃;GO-CF/EP复合材料经湿热处理后,GO-CF/EP复合材料的T_g的保持率比CF/EP略低。GO添加量分别为0.05%和0.1%时,GO-CF/EP复合材料的层间剪切强度由CF/EP复合材料的59.7 MPa分别提高到70.2 MPa和72.2 MPa;GO-CF/EP复合材料进行湿热处理后,GO添加量为0.05%的GO-CF/EP复合材料和GO添加量为0.1%的GO-CF/EP复合材料层间剪切强度较CF/EP复合材料高,但GO-CF/EP复合材料的湿热后层间剪切强度保持率均低于CF/EP复合材料。力学损耗分析表明,GO有效提高了CF与EP基体间的界面黏结作用。微观形貌分析表明,GO的存在可有效分散裂纹能量并使裂纹发生偏转,使GO-CF/EP复合材料抵抗裂纹扩展的能力提高。      

稀土Ce接枝碳纳米管-碳纤维多尺度增强体对环氧树脂基复合材料界面性能的影响

将马来酰亚胺官能化的多壁碳纳米管(CNTs)和碳纤维(CF)混合并通过CeCl₃处理,得到CNTs-CF多尺度增强体,采用FTIR、XPS、SEM对增强体的表面物理化学状态进行表征;以环氧树脂(EP)为基体,通过模压法制备CNTs-CF/EP复合材料,对其力学性能和断口形貌进行分析,探讨CNTs-CF多尺度增强体对CNTs-CF/EP复合材料界面性能的影响。结果表明:通过Ce的桥接作用,可以将改性后的CNTs化学接枝在CF表面,以同时解决CF与树脂基体间界面结合弱及CNTs不易分散的问题,有效改善了增强体与基体间的界面性能。因此CNTs-CF/EP复合材料的拉伸强度和杨氏模量较CF/EP复合材料分别提高了36.76%和71.57%;较CeCl₃改性CF(RECF)/EP复合材料分别提高了24.79%和52.17%。采用稀土Ce的化学接枝法成功制备出CNTs-CF多尺度增强体,为获得高级轻质树脂基复合材料提供了一种环境友好的新方法。      

电泳沉积氧化石墨烯的碳纤维表面改性及其增强环氧树脂复合材料界面性能

采用超声辅助电泳沉积法,以异丙醇作为溶剂,在连续碳纤维(CF)表面沉积一层氧化石墨烯(GO),对CF表面进行改性。再经200℃高温处理来增强(GO)与CF之间的黏合性,从而增加CF/环氧树脂(EP)复合材料的界面结合强度。利用SEM和AFM对改性前后CF的表面形貌及微观结构变化进行了表征,通过XPS对改性前后CF表面官能团的变化进行了检测。结果表明,在CF表面沉积GO并经200℃处理后,有效地部分还原了GO(RGO),填补或桥联了CF表面缺陷,使改性后CF的拉伸强度提高了34.58%。同时,高温处理使RGO与CF之间生成牢固的化学键,从而提高了RGO与CF之间的结合强度,最终使RGO-CF/EP复合材料的界面剪切强度(IFSS)提高了69.9%。      

碳纤维表面处理对2D碳/碳复合材料弯曲性能的影响

为改善纤维与基体的界面结合状态及提高碳/碳复合材料性能,采用1700℃惰性气体保护、2200℃惰性气体保护、400℃空气氧化三种表面处理方法对碳纤维进行了表面处理.结果表明,经过2200℃处理后的纤维表面比较粗糙,有很多沟槽,制备的碳/碳复合材料中纤维与基体结合紧密,弯曲强度比未经表面处理的纤维制备的碳/碳复合材料弯曲强度提高75%;经过400℃处理后的纤维表面凹坑、凸起较纤维未处理前增多,制备的碳/碳复合材料中纤维与基体结合强度适中,其弯曲强度比未经表面处理的纤维制备的碳/碳复合材料弯曲强度提高43%;而经过1700℃处理的纤维表面比较光滑,纤维与基体结合弱,弯曲强度比未经表面处理的纤维制备的碳/碳复合材料的弯曲强度低.     

改性氧化石墨烯对环氧树脂基复合材料热膨胀系数影响的研究

环氧树脂(EP)热膨胀系数(CTE)为65×10~(-6)℃~(-1),碳纤维(CF)CTE为-12×10~(-6)℃~(-1),因此降低EP的CTE是提高碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料低温使用性能的关键。采用氧化石墨烯(GO)和四氧化三铁改性氧化石墨烯(Fe_3O_4-GO)修饰EP,研究了GO及Fe_3O_4-GO对EP基体CTE的影响。结果表明:由于Fe_3O_4-GO表面的官能团可与EP基体形成共价键,从而加强了与EP基体的界面作用;相对于纯EP,GO和Fe_3O_4-GO改性EP的玻璃化转变温度(Tg)分别升高了3.71℃和5.74℃;相对于纯EP,GO和Fe_3O_4-GO改性EP在Tg下的CTE值分别降低了23.77%和33.61%,但在Tg上的CTE值均高于纯EP。     

热塑性颗粒-无机粒子协同增韧碳纤维增强环氧树脂复合材料

针对碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料层间断裂韧性进行研究,通过在CF/EP复合材料层间添加四种无机纳米粒子和三种热塑性颗粒对其进行II型层间断裂韧性(G_IIC)研究,选择工艺性和增韧性效果好的两种无机纳米粒子和热塑性颗粒进行协同增韧研究。结果表明,CF/EP复合材料的G_IIC在适当的无机纳米粒子含量下都得到提高,这主要是由于无机纳米粒子在层间形成了有效吸收断裂能的微结构,纳米羟基氧化铝(AlOOH)的工艺性及增韧性等综合性能最好,AlOOH质量分数为1wt%时,CF/EP复合材料的G_IIC达到931 J/m2,提高了29.3%;热塑性颗粒中,改性聚芳醚酮颗粒(PAEK)的综合性能最好,添加10wt% PAEK,CF/EP复合材料的G_IIC可以提高32%,这是由于预制在层间的热塑性颗粒随着基体流动而得到扩散,形成了独特的跨层间连续结构,从而使裂纹扩展的阻力增加,有效提高了CF/EP复合材料的G_IIC;10wt%PAEK和1wt%AlOOH共同增韧CF/EP复合材料的G_IIC达到1 368 J/m2,相对于未增韧的CF/EP复合材料提高了90%,增韧效果比PAEK和AlOOH对CF/EP复合材料的增韧效果之和大,这表明,PAEK和AlOOH同时加入CF/EP复合材料层间,对CF/EP复合材料具有协同增韧效应。      

基于微波等离子体方法生长的纳米碳对碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能的影响

为了提高复合材料的界面性能,采用微波等离子体（MPECVD）方法,通过控制工艺参数,在碳纤维（CF）表面生长结构形貌各异的纳米碳,将其引入CF/环氧树脂（EP）复合材料界面微区。采用FESEM研究了不同MPECVD工艺参数对沉积纳米碳结构形貌的影响,采用单纤维破碎实验研究了纳米碳形貌对CF/EP复合材料的界面性能影响,探讨了纳米碳-CF/EP复合材料界面微观结构与其界面性能之间的关系。结果表明：随着MPECVD沉积功率的变化,沉积的纳米碳结构形貌变化较大。当沉积功率为700 W时,制备得到的多尺度纳米碳-CF/EP复合材料界面性能最高,界面剪切强度（IFSS）达到112.38 MPa,提高了118.85%。     

超高分子量聚乙烯纤维的液相氧化改性及其环氧树脂基复合材料的力学和摩擦性能

为增强超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与环氧树脂(EP)基体之间的界面粘结强度,采用重铬酸钾溶液对UHMWPE纤维进行表面改性并制备UHMWPE纤维/EP复合材料。结果表明,UHMWPE纤维经液相氧化后表面刻蚀痕迹明显,表面粗糙度明显增加,结晶度增加了11.3%,与乙二醇的接触角减小了14.12°。与纯环氧树脂相比,纤维含量为0.4%的未改性UHMWPE纤维/EP复合材料的拉伸强度降低18.04%,纤维含量为0.6%的液相氧化改性UHMWPE纤维/EP复合材料的拉伸强度降低51.55%,未改性UHMWPE(纤维含量0.5%)和液相氧化改性UHMWPE(纤维含量0.4%)纤维/EP复合材料的冲击强度分别提升了3.29%和4.39%。当纤维含量为0.3%时,液相氧化改性UHMWPE纤维/EP复合材料的弯曲强度比纯环氧树脂增加6.55%,比未改性UHMWPE纤维/EP复合材料增加19%。当纤维含量由0增大到0.5%时,改性和未改性UHMWPE纤维/EP复合材料的摩擦系数先增加后减小。     

接枝改性对芳纶纤维增强天然橡胶复合材料性能的影响

采用氢氧化钾溶液对芳纶纤维(AF)表面进行处理,在此基础之上用环氧树脂/端羟基液体聚异戊二烯橡胶(EP/LIR)的甲苯溶液接枝纤维,将处理后的纤维、端羟基液体聚异戊二烯橡胶以及天然橡胶制成母炼胶,制备芳纶纤维增强天然橡胶复合材料。考察了纤维接枝的改性效果,以及KOH浓度、EP含量对复合材料力学性能的影响。红外光谱、扫描电镜、X射线能谱检测表明芳纶纤维接枝改性改善了纤维表面与复合物基体间的界面粘接,力学性能显示当KOH溶液的浓度为0.1%,EP含量为m(EP)/m(AF)=16.7/100时300%定伸应力和撕裂强度均有最优值。动态力学分析结果表明EP的加入会增大复合材料的储能模量和损耗模量,降低损耗因子峰值,从而提高了纤维与橡胶基体的界面粘合。     

纤维热氧-接枝处理与基体改性对CF/VE复合材料力学性能的影响

针对碳纤维增强乙烯基酯树脂(CF/VE)复合材料界面性能薄弱的问题,通过热氧-接枝的方法对碳纤维表面进行改性,通过添加偶联剂改性树脂,并采用真空辅助成型工艺制备了CF/VE复合材料。通过纤维扫描电镜(SEM)表征和CF/VE复合材料力学性能测试、动态力学测试、界面粘结参数计算以及界面的微观表征验证改性方法的效果。SEM测试表明改性后纤维比表面积和粗糙度提高;TGA测试表明碳纤维氧化温度大于210℃,且氧化温度在600℃时,CF/VE复合材料综合性能最佳;CF/VE复合材料界面性能随隅联剂质量浓度的增大先提高后降低,且在其质量浓度为1%时,层间剪切强度最大,相对于未改性CF/VE复合材料的提高了74.3%;动态力学性能测试(DMA)表明改性CF/VE复合材料的玻璃化转变温度Tg较未改性的提高了约10℃;界面粘结参数A和α的定量计算表明改性CF/VE复合材料界面性能得到较大改善。     

MWCNTs对环氧树脂及多尺度MWCNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响

通过对胺基化多壁碳纳米管（MWCNTs-NH₂）进行改性,得到改性MWCNTs悬浮液（MWCNTs-NH₂（M））。分别将羧基化MWCNTs （MWCNTs-COOH）和MWCNTs-NH₂（M）分散在环氧树脂（EP）中,采用热熔法制备了多尺度MWCNTs-碳纤维（CF）/EP复合材料。研究了MWCNTs对EP模量、韧性及EP与CF之间界面黏结强度的影响,并分析了MWCNTs与CF上浆剂的作用,评价了多尺度MWCNTs-CF/EP复合材料的力学性能。结果表明：官能团化的MWCNTs可对EP的模量和韧性起到更好的增强作用。MWCNTs接枝的-COOH或-NH₂可与CF上浆剂中的环氧基团发生化学反应,提高EP与CF之间的界面剪切强度。MWCNTs-NH₂（M）对多尺度MWCNTs-CF/EP复合材料力学性能的增强效果优于MWCNTs-COOH,当MWCNTs-NH₂（M）的含量为1wt%时,多尺度复合材料的0°压缩强度、90°压缩强度、弯曲强度、弯曲模量、冲击后压缩强度（CAI）分别提高了16.7%、16.3%、40.9%、30.3%、20.6%。     

Surface and wettability property analysis of CCF300 carbon fibers with different sizing or without sizing

To analyze the role of sizing on carbon fibers and the mechanism of adhesion in CF/polymer matrix composites, scanning electronic microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and dynamic contact angle analysis (DCAA) were selected to characterize the different properties between two types of sizings on carbon fiber CCF300. The results of surface roughness obtained from SEM and AFM images showed that the sizings smooth the surface of CCF300. In addition, the percentage of surface polar functional groups on sized CCF300 decreased slightly after sizing. In another hand, the total surface energy and the polar component of surface energy of the sized CCF300 decreased slightly compared to the unsized CCF300, and the J4 sizing has the more influence.     

Enhanced mechanical properties of multiscale carbon fiber/epoxy composites by fiber surface treatment with graphene oxide/polyhedral oligomeric silsesquioxane

Graphene oxide (GO) and polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) grafted carbon fiber (CF) was demonstrated to reinforce the mechanical properties of fiber composites. Such a fiber composite was prepared by grafting POSS onto the CF surface using GO as the linkage. The presence of GO linkage and POSS could significantly enhance both the area and wettability of fiber surface, leading to an increase in the interfacial strength between fibers and resin. Compared with the desized CF composites, the grafted CF composites fabricated by compression molding method exhibited 53.05% enhancement in the interlaminar shear strength. The changed surface morphology, surface composition and surface energy were supposed to be related with the interfacial performance of unidirectional composites, as revealed by scanning electron microscopy, atomic force microscope, dynamic contact angle test and X-ray photoelectron microscopy charaterizations.     

微胶囊层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的超声导波评价

选用微胶囊作为改性材料,采用热压机层压成型工艺制备出微胶囊层间增韧T300碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料。通过双悬臂梁(DCB)Ⅰ型层间断裂试验评估了CF/EP复合材料的增韧效果。利用超声导波技术对普通CF/EP复合材料和增韧CF/EP复合材料层间力学性能进行评价。通过SEM对CF/EP复合材料层间断面微观形貌进行观察,以揭示微胶囊的增韧机制,同时对超声导波检测结果进行辅助说明。结果表明,微胶囊以团聚形式分布在层间基体中,可以有效提高CF/EP复合材料的层间断裂韧性。微胶囊的填充改变了CF/EP复合材料层间基体特性,增加了导波传播过程中的衰减,导致响应信号峰值降低。同时,团聚的微胶囊改变了CF/EP复合材料对于中心频率125 kHz五峰波激励的振动响应,导致中心频率在信号频谱中的幅值低于普通CF/EP复合材料。      

聚醚砜对连续碳纤维/聚醚醚酮复合材料性能的影响

以聚醚砜(PES)作为第三组分及活化PES作为连续碳纤维(CCF)的表面改性剂制备CCF/聚醚醚酮(PEEK)复合材料,重点研究CCF/PEEK复合材料的制备工艺方法对其性能的影响。结果表明:PES作为第三组分制备的CCF/PEEK复合材料,当填充16wt%的CCF时,复合材料表面电阻降低到107~109 Ω,出现导电逾渗状态,此时摩擦系数降到最低(0.2430)。活化PES作为表面改性剂制备的CCF/PEEK复合材料,当填充30wt%的CCF时,复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度分别提高到236.2 MPa、345.1 MPa、12.3 kJ/m2,相比无PES改性的CCF30/PEEK复合材料分别提高了13.69%,21.70%,36.97%,其中PES起到显著的均匀分散CCF与界面粘结作用。摩擦学研究结果表明,复合材料的摩擦性能不仅取决于润滑材料CCF在基体中的分布还取决于CCF与基体的界面作用力。