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%。     

纳米SiO2改性上浆剂对炭纤维复合材料界面性能的影响

利用单纤维碎裂法，三点短梁法，扫描电镜（SEM）和动态力学热分析（DMTA）研究了未上浆炭纤维、环氧树脂乳液上浆炭纤维和经纳米SiO2改性环氧树脂乳液上浆炭纤维增强树脂基复合材料（CFRP）的界面性能。结果表明：炭纤维经改性乳液上浆剂和未改性乳液上浆剂上浆后，与未上浆相比，其单纤维复合材料的界面剪切强度（IFSS）分别提高了79％和41％，复合材料的层间剪切强度（ILSS）分别提高了14％和9％。DMTA图谱显示经纳米SiO：改性上浆的CFRP其损耗角正切（tanδ）较未改性上浆的降低18％，玻璃化温度（Tg）高出5℃。说明上浆剂中添加纳米SiO2可使上浆后的CFRP界面黏结性得到显著增强。     

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。     

疏水纳米氧化硅稳定水包油乳液机制研究

以矿物油、表面活性剂、疏水纳米SiO₂为原料，采用机械乳化法制备了含纳米SiO₂水包油型乳液。通过响应曲面实验得出SiO₂含量是影响乳液稳定性的主要因素，并在此基础上系统地研究了疏水纳米SiO₂对乳液稳定性及特性的影响。结果表明：当固体颗粒含量达到一定时，才能形成稳定的乳液，其形状与大小随着颗粒含量的增加而发生改变；与传统乳液相比，含固体颗粒乳液具有更好的热稳定性。其次，采用荧光显微镜、界面张力、界面流变等测试手段揭示了疏水颗粒稳定水包油型乳液的相应机制。结果表明：疏水纳米SiO₂吸附于油水界面改变了界面膜强度与结构，并与表活剂产生协同作用降低了油水界面张力，从而使乳液更加稳定。     

纳米SiO2质量分数对胶粘碳纤维增强树脂复合材料板-钢搭接界面黏结性能的影响

胶黏剂力学性能对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢结构的界面黏结性能影响显著。基于研制的胶黏剂配比,分析了不同纳米SiO₂质量分数对胶黏剂常温固化后基本力学性能及微观结构的影响,制作了31个CFRP板-钢板双搭接试件,对其进行了常温固化后的承载能力、有效黏结长度、传力模式、黏结-滑移本构等试验研究,得出了纳米SiO₂质量分数对CFRP板-钢板搭接试件界面黏结性能的影响规律,并与常用商品胶黏剂进行了比较。研究结果表明:随纳米SiO₂质量分数的增加,胶黏剂应力-应变关系由线性转变为非线性,应变能、断裂伸长率及剪切强度分别最高提升了292.10%、202.88%和133.12%。微观结构分析表明纳米SiO₂的添加使断面粗糙度显著增加,形成了密集的塑性空穴,产生了更多的微裂纹,使胶黏剂的韧性大幅度提高。当纳米SiO₂质量分数从0增至1wt%,搭接试件破坏模式由界面破坏逐渐变为CFRP板层离破坏。掺入纳米SiO₂能显著增加搭接试件的极限承载力(提升256.96%)及界面有效黏结长度(提升3倍),提高CFRP表面的应变及界面剪应力峰值。纳米SiO₂质量分数为0与0.5wt%的搭接试件的黏结-滑移曲线为双线性三角形模型,纳米SiO₂质量分数为1wt%的搭接试件的黏结-滑移曲线为三线性梯形模型,黏结界面韧性大幅提升。CFRP-钢界面承载能力受胶黏剂拉伸强度与断裂伸长率的双重影响,非线性高强度(即具有较高应变能)胶黏剂对应的CFRP-钢搭接接头具有更好的界面性能。      

纳米SiO2微球/含氟丙烯酸酯涂层的制备及耐融雪盐腐蚀性能研究

以甲基丙烯酸十二氟庚酯(DFMA)及其他丙烯酸酯类单体为原料，采用半连续乳液聚合法制备含氟丙烯酸酯共聚乳液，将其与一定量的表面硅烷改性的纳米SiO₂微球、适量的颜填料和助剂机械搅拌均匀，得到纳米SiO₂微球/含氟丙烯酸涂料。FT-IR、XRD测试表明，表面硅烷改性的纳米SiO₂微球晶型未发生改变。复合涂层的力学性能、耐化学介质腐蚀性能和耐融雪盐腐蚀性能等结果表明，当纳米SiO₂微球掺量为3%时，复合涂层的综合性能最佳。其铅笔硬度为5 H,黏结强度为1.88MPa,耐冲击高度超过50 cm,涂层接触角可达110°,吸水率仅为0.72%,耐酸碱盐腐蚀率分别为17%、11%、11%。与未改性的含氟丙烯酸涂层和市售的涂层相比，在设定的融雪盐腐蚀条件下，复合改性涂层腐蚀前后的色差、光泽度、表面状况保持稳定，混凝土试件的抗压强度和碳化深度的下降均减缓。     

二氧化硅/玻璃鳞片协同增强的环氧树脂耐磨性研究

以环氧树脂(EP)为基体，通过添加玻璃鳞片(GF)和改性纳米SiO₂制备了SiO₂/GF/EP复合涂料，考察了纳米SiO₂添加量对复合涂料性能的影响，通过傅里叶变换红外光谱仪和扫描电子显微镜对涂层的结构和断面形貌进行了表征。结果表明：利用硅烷偶联剂对纳米SiO₂进行改性处理，在其表面引入了可与环氧基团反应的氨基基团；当纳米SiO₂添加量为5%(质量分数)、GF添加量为30%(质量分数)时，复合涂层的硬度比纯EP提高了57.7%,磨损失重和摩擦系数比纯EP减小了57.0%、49.3%;改性纳米SiO₂和GF与EP基体界面相容性良好，与纯EP相比，SiO₂/GF/EP复合涂层的韧性和致密性明显提高。     

氧化石墨烯改性玄武岩纤维及其增强环氧树脂复合材料性能

为了改善玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的界面性能,通过偶联剂对氧化石墨烯进行改性,并将改性后的氧化石墨烯引入到上浆剂中对玄武岩纤维进行表面涂覆改性,同时制备了氧化石墨烯-玄武岩纤维/环氧树脂复合材料.采用FTIR表征了氧化石墨烯的改性效果;运用SEM分析了改性上浆剂处理对玄武岩纤维表面及复合材料断口形貌的影响和作用机制.结果表明:偶联剂成功接枝到氧化石墨烯表面;玄武岩纤维经氧化石墨烯改性的上浆剂处理后,表面粗糙度及活性官能团含量增加,氧化石墨烯-玄武岩纤维/环氧树脂界面处的机械齿合作用及化学键合作用增强,界面黏结强度得到改善,玄武岩纤维的断裂强力提高了30.8%,氧化石墨烯-玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度提高了10.6%.     

炭纤维表面性质及上浆剂对炭纤维聚碳酸酯复合材料界面性能的影响

通过对比未处理炭纤维、氧化炭纤维、商业化环氧树脂用炭纤维和实验室用聚氨酯及环氧树脂自上浆炭纤维的表面性质和其增强聚碳酸酯层间剪切强度,研究炭纤维表面性质与上浆剂对界面结构与性能的影响。结果表明,未处理炭纤维表面官能团与树脂的浸润性最小,层剪值最低为38.1 MPa。氧化纤维表面官能团增加,浸润性提高,层剪值提高到50.6 MPa。商业化环氧树脂用炭纤维表面官能团与树脂浸润性相比氧化纤维明显提高,层剪值相当,为50.8 MPa。说明浸润性是强界面产生前提,但不是充分条件。自上环氧浆炭纤维复合材料的层剪值相比商业炭纤维更低,约为31.7～39.5 MPa,而聚氨酯上浆炭纤维表面官能团与浸润性跟商业化环氧树脂用炭纤维相当,但层剪值提升18.9%,为60.4 MPa。说明界面结合强度提高的原因更依赖于氨酯键与炭纤维表面及聚碳酸酯树脂基体均能产生强的化学作用。     

Effects of emulsion sizing with nano-SiO<Subscript>2</Subscript> on interfacial properties of carbon fibers/epoxy composites

Nano-SiO₂ particles were used to modify epoxy emulsion sizing of carbon fibers to improve the interfacial properties of carbon fibers reinforced epoxy composites. The mechanical interfacial strength between fibers and matrix was investigated by the single fiber fragmentation test and the 3-point short beam shear test, respectively. Dynamic contact angle analysis (DCAA), X-ray photoelectron spectrometry (XPS) and atomic force microscopy (AFM) were performed on the carbon fibers with unmodified sizing and nano-SiO₂ modified sizing. The results indicated that modified sizing with nano-SiO₂ slightly increased the surface energy, the hydroxyl functional group and the surface roughness of carbon fibers compared to unmodified sizing, so that the interfacial shear strength (IFSS) of the single fiber composites and the interlaminar shear strength (ILSS) of composites were enhanced. SEM images of fracture sections of composites proved powerfully that the interfacial adhesion between fibers and matrix was improved after nano-SiO₂ modified emulsion sizing treatment.     

Effect of nano-SiO2 modified emulsion sizing on the interfacial adhesion of carbon fibers reinforced composites

The influence of nano-SiO₂ modified epoxy emulsion sizing on the interfacial adhesion properties of carbon fibers reinforced composites was investigated. The interfacial interaction between carbon fibers and the matrix was characterized by X-ray photoelectron spectrometry (XPS), scanning electron microscopy (SEM) and three-point short-beam shear testing. The results showed that the amount of hydroxyl groups was slightly increased on the carbon fibers surface after treatment with nano-SiO₂ modified sizing. Compared to the unsized composites, the interlaminar shear strength (ILSS) values for the composites with unmodified sizing and nano-SiO₂ modified sizing were increased by 9% and 14%, respectively. The holes and carbon fibers pullout were not observed in their fracture sections. Surprisingly, the fracture section of the composites with nano-SiO₂ modified sizing was more compact and the fiber debonding was more difficult.     

Effect of new epoxy matrix for T800 carbon fiber/epoxy filament wound composites

A new epoxy resin matrix with good adherence to T800 carbon fibers (T800 CFs) in filament winding was developed by addition of hardener and resin diluter. Interfacial behavior of the T800 CF/epoxy composites was analyzed according to the Naval Ordnance laboratory (NOL) ring test, short-beam-shear test and fracture surface observation. Meanwhile, scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and atomic force microscopy (AFM) were used in analysis of the interfacial behavior. The interfacial properties of the T800 CF/epoxy filament wound composites were improved by optimizing the matrices through increasing the toughness and reducing the viscosity, which is an important factor in influencing the wettability of T800 CFs. The Interlaminar shear strength (ILSS) of the unidirectional T800 CF/epoxy composites and the tensile strength of NOL-ring in this work reached to 123 and 2570 MPa, respectively. Also, the interfacial adhesion was much improved by the chemical reactions between the new matrix and the sizing on the T800 CFs.     

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.     

水性上浆剂对碳纤维表面及碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能的影响

以4,4'-亚甲基双(异氰酸苯酯)(MDI)为扩链剂, 将Triton X-100(TX-100)引入到双酚A二缩水甘油醚(DGEBA) 中, 设计合成水性碳纤维上浆剂(DGEBA-MDI-TX-100), 并利用合成的水性上浆剂对碳纤维表面进行改性。在此基础上, 以环氧树脂为基体, 制备碳纤维/环氧树脂复合材料, 研究了水性上浆剂改性碳纤维对碳纤维表面性能及其复合材料界面性能的影响。结果表明:与未经处理的碳纤维相比, 经过上浆剂改性后的碳纤维润湿性能得到了较大的提高, 与环氧树脂的接触角下降了 9.1%;与环氧树脂复合后制备的复合材料的界面剪切强度提高了64.7%。      

新型水性上浆剂对碳纤维及其复合材料界面性能的影响

使用新型水性上浆剂O3PPA对碳纤维表面进行改性处理,使用聚己内酰胺树脂为基体制备碳纤维/聚己内酰胺树脂复合材料,使用X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电镜(SEM)、纤维强伸度仪(XQ-1A)、万能材料试验机等手段表征改性后的碳纤维和碳纤维/聚己内酰胺树脂复合材料。结果表明,O3PPA的最佳上浆质量分数和吸附量分别为1%和5 mg/g。经O3PPA处理的碳纤维单丝的断裂强度提高了12%,碳纤维短丝在聚己内酰胺树脂中的分散性明显提高。而经O3PPA处理的碳纤维/聚己内酰胺树脂复合材料,其弯曲强度和层间剪切强度比未处理分别提高了35%和46%。     

上浆剂对炭纤维表面和环氧树脂复合材料的影响

采用两种上浆剂对聚丙烯腈(PAN)基炭纤维进行表面上浆,利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线元素分析(XPS)和反向气相色谱(IGC)研究了未上浆、上浆炭纤维的表面形貌、化学组成及纤维表面能,测试了未上浆和上浆炭纤维所制备复合材料的层间剪切强度(ILSS)并用SEM观察其断面形貌。结果表明,上浆后炭纤维表面变平滑,纤维表面n(O)/n(C)明显提高,含氧官能团(羟基、羧基)增加,炭纤维表面能降低。上浆后,复合材料的ILLS有所提高。     

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。     

纳米SiO2改性乳液上浆剂对炭纤维抗拉强度的影响

利用Weibull统计分布分析了上浆对炭纤维单丝抗拉强度的影响。通过扫描电镜（SEM）观察和X射线能谱仪（EDS）分析了上浆前后炭纤维表面和截面的结构形貌及表面元素组成。结果表明：当纳米SiO2粒子与上浆树脂的质量比为0．5％时，上浆炭纤维单丝的抗拉强度最高，增幅达10．1％；Weibull参数m值最大，强度的分散性最小。EDS显示了改性上浆炭纤维表面Si元素含量增大。上浆炭纤维比未上浆的表面较均匀，纹理沟槽变浅；截面凹凸不平，呈现一定的韧性断裂特性。说明上浆剂中添加纳米SiO2粒子可以明显提高上浆炭纤维的强度。