上浆剂对国产T800级碳纤维增强热固性复合材料界面性能的影响

碳纤维具有力学性能优、密度低、耐腐蚀、耐高温等一系列优异性能,近年来被广泛应用于航空、航天等重要领域。相较于国外的高强中模碳纤维,国内虽有T800级碳纤维与之对应,但是国内对高性能碳纤维的研究工作起步晚,研究尚不充分。上浆剂作为碳纤维表面的重要组成部分,对碳纤维的表面性能有着重要的影响,进而影响复合材料的界面性能。本文采用SEM、TGA、XPS等表征手段,研究分析了上浆剂对国产T800级碳纤维的影响,对碳纤维的表面物化特性及其不同先进树脂基复合材料的微观界面性能进行研究,为国产高性能碳纤维的产品发展提供借鉴意义。     

碳纤维复合材料高温界面性能研究进展

碳纤维复合材料以其强度高、耐腐蚀、质量轻、抗疲劳等优良特性被广泛应用于航空航天及国防军工领域。然而,航空航天用复合材料结构部件在高温、湿热环境中会发生界面损伤和失效。上浆剂是碳纤维复合材料界面相的重要组成部分,研制可以增强界面强度和耐高温的上浆剂对提高复合材料的热力学性能具有重要意义。文中从碳纤维表面上浆剂的角度出发,重点介绍了碳纤维复合材料界面特性、上浆剂的作用机理以及高温下复合材料界面的破坏机制。最后,针对环氧上浆剂耐热性差的缺点,阐述了碳纤维耐高温涂层改性和纳米粒子改性,重点介绍了聚酰亚胺、聚醚醚酮、生物活性多巴胺及氧化石墨烯、多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)纳米粒子等类型改性上浆剂的研究进展。指出发展环境友好型上浆剂和POSS纳米粒子改性将是下一步工作的重点。     

上浆剂对碳纤维复合材料界面结合影响的研究进展

简要介绍了各种热固性和热塑性上浆剂,重点是综述上浆剂对碳纤维复合材料界面性能的影响及其相关机理。上浆剂对碳纤维复合材料界面的影响依赖于在纤维表面的附着量,上浆剂对碳纤维/树脂界面的增强机理主要为,通过碳纤维表面附着的上浆层,提高与基体树脂间的相容性。     

上浆剂对国产碳纤维复合材料界面性能的影响

为了研究两种不同上浆剂和湿热环境对国产300级碳纤维/环氧树脂体系微观界面性能的影响,采用单丝断裂法,测试分析了去浆前后碳纤维单丝复合体系在自然干态、湿热处理3 d及湿热处理6 d的状态下微观界面剪切应力的变化.结合对扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)及X射线光电子能谱(XPS)等测试结果的分析,研究了碳纤维上浆剂对微观界面性能及其界面耐湿热性能的影响.结果表明:去浆前后A300碳纤维表面均有明显沟槽;上浆剂1并未使A300碳纤维表面粗糙度有明显变化,但上浆剂2使A300碳纤维表面粗糙度减小,而两种上浆剂均使A300碳纤维表面含氧极性官能团含量减少.两种上浆剂对制备的复合材料界面性能和耐湿热性能都有较大的提高,其中上浆剂1在自然干态下对界面性能的提高更明显.     

上浆剂对国产T700级碳纤维复合材料界面性能的影响

采用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等测试方法表征了上浆/未上浆国产T700级(MT700)碳纤维的表面特性,并通过单丝断裂实验测试了单丝复合体系微观界面剪切强度(IFSS),在此基础上研究了碳纤维表面特性对单丝复合体系微观界面性能及其耐湿热性能的影响.研究表明:MT700碳纤维表面上浆剂改善了纤维/基体微观界面强度及其耐湿热性能;湿热环境对复合材料的微观界面性能影响显著,尤其是造成纤维/基体间的化学键合作用破坏,去湿后部分界面性能可恢复.     

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%。      

国产800级碳纤维表面状态及其复合材料界面性能EI北大核心CSCD

通过扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）、复丝拉伸法、单丝拉伸法及单丝断裂法对3种国产800-12K碳纤维表面状态及其复丝拉伸性能、单丝复合体系的界面性能进行系统分析与研究。结果表明：3种国产800级碳纤维表面均较为光滑,纤维的粗糙度为9-17nm,纤维表面含氧量较高且稳定,O/C在0.23~0.27之间;3种国产800级碳纤维复丝拉伸强度相当,质量控制稳定,断裂伸长率为1.9左右,纤维与树脂基体匹配性较好;3种国产800级碳纤维单丝拉伸强度不稳定,纤维的表面化学活性对纤维与树脂基体的界面结合强度影响显著。     

碳纤维表面状态对其复合材料性能的影响

涂覆A、B两种不同上浆剂的国产碳纤维ZT700-A,ZT700-B以及日本东丽T700S,利用SEM,FTIR,XPS等仪器分析纤维表面形貌以及碳纤维表面的化学状态,测试了三种碳纤维复合材料的横向拉伸强度,用SEM观察其断面形貌。研究表明:国产碳纤维ZT700-B表面沟槽明显,羟基、羰基、羧基等活性官能团含量较高,物理和化学双重作用使ZT700B与环氧树脂界面粘接效果显著,复合材料的横向拉伸强度为42MPa,分别比ZT700-A和日本东丽T700S要高出83%和62%。     

国产T800级炭纤维表面特性及其复合材料微观界面性能

采用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等测试方法表征了两种国产上浆/去浆T800级炭纤维的表面特性,并通过单丝断裂实验测试了单丝复合体系微观界面剪切强度(IFSS),在此基础上研究了炭纤维表面特性对单丝复合体系微观界面性能及其耐湿热性能的影响。结果表明:去浆后炭纤维表面含氧活性官能团含量降低,粗糙度增加,与基体树脂的界面结合强度增大;湿热环境对复合材料的微观界面性能影响显著,尤其是破坏了纤维/基体间的化学键合作用,但去湿后部分界面性能可恢复。     

循环湿热环境下碳纤维复合材料界面性能

为研究循环湿热环境对CCF300/5405复合材料体系界面性能的影响,首先对该体系循环吸湿—脱湿行为进行研究,其次分析湿热环境下层间剪切强度的变化,最后采用扫描电镜观察纤维/基体界面的微观形貌.研究结果表明:CCF300/5405体系吸湿处理后,纤维与基体间界面遭到水分破坏,产生大量空隙和裂纹,使得水分的扩散速率明显增加,吸湿率增大,且这种破坏不可逆;吸湿之后材料层间剪切强度下降,烘干之后可以恢复到近于自然干态水平;相对于水分对复合材料的不可逆破坏,可逆破坏对层间剪切强度值减小的贡献更大.     

国产T700级碳纤维/BMI复合材料湿热性能

为研究国产碳纤维复合材料湿热性能,基于热压罐制备工艺,分别将国产T700级碳纤维和日本东丽T700S碳纤维与国产QY9611双马树脂进行匹配,从纤维表面物理/化学状态、吸湿曲线、吸湿后玻璃化转变温度、宏观力学性能等方面对2种复合材料开展湿热性能研究.结果表明:国产T700/BMI复合材料的饱和吸湿率为0.77%(35 d),T700S/BMI复合材料的饱和吸湿率为0.81%(19 d);71℃水浸168 h后,国产T700/BMI的玻璃化转变温度(T_g)下降10.3%(由252.1℃到226.2℃),T700S/BMI复合材料的玻璃化转变温度(T_g)下降8.7%(由256.6℃到234.3℃);150℃湿态环境下,国产T700/BMI复合材料90°拉伸强度与T700S/BMI基本相当,0°压缩强度较T700S/BMI高约17.9%,层间剪切强度较T700S/BMI高约9.3%,表明国产T700/BMI复合材料具有更优良的湿热力学性能.     

国产T800碳纤维用氰酸酯树脂开发及其复合材料性能

基于飞行器减重对耐高温结构复合材料的应用背景,为了拓展国产T800碳纤维增强氰酸酯复合材料体系的应用,通过对国产T800碳纤维表面上浆剂的分析,开展适于国产T800碳纤维的氰酸酯树脂基体配方设计,研究国产T800碳纤维/氰酸酯复合材料的力学性能和耐热性能,分析树脂基体对复合材料界面性能的影响。结果表明:国产T800碳纤维表面上浆剂中含有环氧基团。配方优化后的氰酸酯树脂与国产T800碳纤维复合后,复合材料的室温-湿态力学性能保持率大于74.8%,200℃力学性能保持率大于57%,玻璃化转变温度为226℃,具有优异的热机械性能和界面性能。     

国产T800碳纤维/双马来酰亚胺复合材料的界面及力学性能

分别采用日本东丽T800H和国产T800碳纤维作为增强体,采用热压罐工艺制备双马来酰亚胺树脂基复合材料。研究了2种碳纤维的表面物理和化学状态,复合材料的微观界面性能及力学性能。结果表明:国产T800碳纤维表面沟槽分布较多,表面粗糙度较高,有利于与树脂基体形成更好的物理结合作用。同时,国产T800碳纤维表面具有较多的含氧官能团,有利于与基体树脂形成更好的化学结合作用。因此,国产T800碳纤维的界面剪切强度较T800H碳纤维高约27%。国产T800/HT-280复合材料的力学性能均普遍高于T800H/HT-280复合材料,其中,90°拉伸强度高约25%,面内剪切强度、弯曲强度高约12%,层间剪切强度高约7%。      

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.     

连续碳纤维/尼龙6热塑性复合材料的吸湿及力学性能

利用热压工艺制备了三种不同等温结晶时间的连续碳纤维（CF）增强尼龙6（PA6）单向复合材料,并分别研究了吸湿前后连续CF/PA6复合材料单向板的0°拉伸、90°拉伸、弯曲和层间剪切性能变化。结果发现,CF/PA6复合材料的0°拉伸、90°拉伸、弯曲和层间剪切强度（模量）分别下降了10%~37%（0~0.6%）、35%~46%（62%~64%）、53%~61%（16%~28%）和5%~31%。结合SEM断面观察和抛光金相显微学给出了吸湿对CF/PA6复合材料性能的影响机制。