炭纤维表面处理对CF／PI复合材料界面性能的影响

在基体和成型工艺一定的条件下,炭纤维(CF)的表面状态决定了复合材料的界面性质通过空气冷等离子体处理、表面接技NA-酸酐和表面徐没涂层的方法对炭纤维进行表面改性:采用界面微脱粘测试技术表征不同表面处理方法对炭纤维/聚酰亚胶树脂复合材料界面剪切强度的影响;并应用TEM和图像处理技术对其界面进行直观表正计算出不同界面层厚度     

酚醛树脂表面处理剂对炭纤维增强环氧树脂复合材料界面强度的影响

采用酚醛树脂作为炭纤维表面处理剂, 可以显著提高多种炭纤维和环氧树脂界面强度。通过XPS、AFM、SEM和层间剪切强度等方法, 研究了不同浓度的酚醛树脂表面处理剂对炭纤维增强环氧树脂复合材料层间剪切强度、炭纤维表面元素和化学键组成的影响, 以及炭纤维增强环氧树脂复合材料断面微观形貌的变化。XPS和AFM分析结果表明酚醛树脂和炭纤维表面发生了化学反应, 而且酚醛树脂处理剂浓度越高, 和炭纤维表面发生反应的基团也越多, 表面越光滑平整, SEM和层间剪切强度研究表明酚醛树脂处理后的复合材料界面粘结性能得到很大的改善, 而且界面粘结性能强烈依靠处理剂浓度。      

链长对炭纤维/聚芳基乙炔复合材料界面性能的影响

采用在炭纤维表面接枝含有不同链长的偶联剂的方法, 研究了链长对炭纤维/聚芳基乙炔复合材料界面性能的影响。纤维和树脂的浸润性通过纤维表面能的测定以及纤维表面能和浸润性的讨论进行了评价。通过复合材料界面剪切强度测试以及断口形貌分析对炭纤维/聚芳基乙炔复合材料的界面性能进行了研究。结果表明, 随着炭纤维表面链长的增长, 炭纤维/聚芳基乙炔复合材料的界面粘结性能随之提高。界面粘结性能的提高主要归因于接枝于炭纤维表面的偶联剂的分子链和聚芳基乙炔树脂分子链发生了物理缠结作用, 并且这种缠结作用随着纤维表面分子链的长度的增加而增强。      

界面对三维编织复合材料的吸湿行为的影响

研究了不同界面结合状况的三维编织炭纤维增强环氧树脂复合材料的吸湿行为，通过对炭纤维表面氧化处理提高了复合材料的界面结合强度。对复合材料的断口和吸湿复合材料的表现形貌进行了SEM观察。结果表明，吸湿过程满足Fick扩散；强界面结合抑制了三维编织复合材料吸湿，降低了水的扩散系数。     

湿纺和干湿纺炭纤维的表面结构分析

采用SEM、AFM及XPS等测试技术对湿法和干湿法制备的炭纤维的表面形貌、组织结构及化学组成进行了表征,分析材料的微观组织对复合材料界面的影响.研究结果发现,湿法炭纤维表面粗糙度大,沿纤维轴向沟槽深浅不均匀,且走向杂乱,有利于与复合材料中的基体树脂产生物理机械锁合作用,促进界面粘结;湿法炭纤维的表面含氧量和含氮量高于干湿法炭纤维,且表面活性同样高于干湿法炭纤维,有利于与基体树脂发生化学反应,形成较强的界面作用,从而使湿法炭纤维复合材料的层间剪切强度比干湿法炭纤维提高了13.92％.     

电化学氧化对炭纤维界面性质的影响

对粘胶基炭纤维进行电化学氧化表面处理，对表面处理前后的炭纤维进行强力测试，分析表面处理条件对炭纤维强度的影响，通过测定炭纤维与几种浸润液的接触角，分析了电化学氧化表面处理对炭纤维浸润特性的影响，在电镜下观察表面处理前后炭纤维表面形貌的变化，并测其比表面积的变化，分析处理条件对其表面粗糙度的影响，通过炭纤维的拉曼散射，分析表面处理前后炭纤维表面微晶大小的变化，最后，对处理前后炭纤维的相关性能指标进行比较，分析其性能变化的机理及其性能变化对炭纤维复合材料界面粘结性能的影响。     

炭纤维表面化学结构对其增强环氧树脂基复合材料性能的影响

采用阳极氧化法对炭纤维的表面进行处理,通过改变氧化程度制备具有不同表面化学结构的炭纤维,并将其作为增强体再制备成复合材料。研究了炭纤维表面化学结构对其增强环氧树脂基复合材料性能的影响。结果表明,阳极氧化处理后炭纤维表面活性大幅提高,O,N元素含量分别由处理前的3.10%,1.12%提高到处理后的13.07%,5.96%;当电流密度低于15A/m2时,O/C,N/C值越高越有利于炭纤维表面与环氧树脂基体之间的界面黏合;在含氧官能团中,-COOH是决定炭纤维/环氧树脂基体间化学键合强度高低的关键因素。     

高性能CFRP增强纤维表面状态分析及性能研究

为研究高性能炭纤维的表面特征及炭纤维与环氧树脂基体之间的界面结合,获得高性能的结构型炭纤维/环氧树脂复合材料(CFRP).采用红外光谱、扫描电镜、X射线光电子能谱仪、单向板、NOL环、Φ150 mm压力容器等方法,对炭纤维/环氧树脂复合材料(CFRP)3种高性能炭纤维表面状态及复合材料性能进行了系统研究.结果表明,3种炭纤维表面涂层均能参与环氧基团固化反应在界面上形成化学键;UT500系列炭纤维表面轴向沟槽可与树脂基体通过物理"机械啮合"作用形成更强的界面结合;UT500-12K炭纤维/E-51单向板剪切强度为91.46 MPa,NOL环剪切强度为77.16 MPa,分别比T700-12K/E-51体系高约40%.CFRP复合材料中炭纤维的微观结构、表面活性是决定复合材料界面结合的重要因素,直接影响复合材料制品的含胶量,进而影响其综合力学性能.     

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。      

用SEM研究表面处理对炭纤维增强复合材料剪切断裂的影响

利用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）,对炭纤维表面处理前后,炭纤维增强复合材料（ＣＦＲＰ）的剪切断面的观察,并分析了不同表面处理方法对ＣＦＲＰ的界面性质的影响。结果表明,经气液双效法处理后,ＣＦＲＰ得到高的层间剪切强度（ＩＬＳＳ）,同时表现出二剪和三剪的断裂模式。     

CF/PPEK复合材料界面结构与性能

对连续碳纤维增强杂萘联苯聚醚酮(CF/PPEK)的界面结构与性能进行了研究。通过XPS和Raman光谱表征了CF/PPEK复合材料的界面结构,并利用微脱粘试验研究了CF/PPEK复合材料的界面性能。结果表明:PPEK能与经过表面处理的碳纤维形成较强的界面作用,粘结情况较为理想,保证了基体与纤维间的应力传递,使得CF/PPEK复合材料具有良好的热稳定性及力学性能。基于复合材料细观结构的周期性假设,采取连续性与周期性边界条件,建立了高性能热塑性复合材料三相同轴圆柱形细观分析模型。应用剪滞理论和非线性有限元分析方法对CF/PPEK的界面性能进行了模拟计算与分析,其计算结果与试验结果吻合较好。      

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.     

Effects of thermal histories on interfacial properties of carbon fiber/polyamide 6 composites: Thickness,modulus, adhesion and shear strength

Interface thickness and modulus of carbon fiber (CF) reinforced polyamide 6 (PA 6) composites with different thermal histories are characterized as 331–394 nm and 0.24–0.30 times to fiber modulus, respectively. Transverse fiber bundle (TFB) test is firstly employed for evaluating semi-crystalline PA 6 interfacial adhesion. TFB Failure mechanisms are schematically given. Besides enhanced molecular entangling on fiber surface, increased matrix toughness is also found to have a great effect on improved TFB results. Droplet micro-debonding results show that decreasing cooling rate and increasing annealing temperature both decrease interfacial shear strength (IFSS) though residual PA 6 on carbon fiber surface increases. In the end, the above data are normalized together with some previous measured parameters. It shows that quenching of the CF/PA 6 composites and subsequent annealing are shown to give similar results as slow cooling. Relationships between each other are also discussed.     

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%。      

PC/CF共混体系的加工流变性能与力学性能

利用微量双螺杆挤出机(Hakke MiniLabⅡ,Rheomex CTW5),通过熔融共混挤出注塑的方法,在聚碳酸酯(PC)中添加炭纤维(CF)进行复合增强。实验对共混物加工过程中的流变行为进行了分析,研究了炭纤维含量对复合材料力学性能的影响,探讨了其黏度与力学性能变化的机理,由扫描电子显微镜观测拉伸及冲击破坏的试样断面形态。结果表明,当CF质量分数为2%时,复合材料非牛顿指数n值最小,假塑性最强,易于加工;同时,复合材料的综合力学性能也最为优异。扫描电镜照片显示,拉伸破坏的主要方式为界面脱胶,而冲击破坏的主要方式为纤维断裂。     

甲基丙烯酰氧基倍半硅氧烷改性碳纤维/聚芳基乙炔复合材料界面性能

利用微脱粘法、三点弯曲法、扫描电镜（SEM）、力调制模式原子力显微镜（AFM）和动态力学热分析（DMTA）研究了甲基丙烯酰氧基倍半硅氧烷（Methacryl-POSS）涂层改性前后的碳纤维增强的聚芳基乙炔（PAA）复合材料的界面性能。用Wilhelmy法研究了处理前后的碳纤维与PAA树脂的浸润性。结果表明: POSS涂层处理后的碳纤维表面粗糙度增大,与PAA树脂的浸润性提高;复合材料的界面剪切强度提高了36%,层间剪切强度提高了50%。DMTA图谱表明, POSS涂层改性后,复合材料的玻璃化转变温度提高了12℃,损耗因子降低了53%,表明复合材料的界面粘接性能得到大幅度的改善。      

碳纤维增强铝复合材料的界面微观结构

利用透射电镜（TEM）对超声浸渗制备的碳纤维（T300及M40J）增强铝复合丝及液矸渗法制备的碳纤维增强铝复合板材的界面微观结构进行了分析,结果表明,超声浸渗法制备的复合丝有明显的界面反应产物,T300／Al的反应程度比M40J／A1高。液相压渗法制备的复合材料界面反应不明显,表明该工艺可避免不利的界面反应发生。     

原位聚合法制备CF/PSF-MC尼龙6复合材料

制备了表面接枝了聚酰胺链段的炭纤维/PSF-MC尼龙6复合材料,接枝率为1.3%。DSC研究表明,与MC尼龙6相比,接枝后的炭纤维/PSF-MC尼龙6复合材料中基体尼龙6的起始结晶温度和最大结晶温度均有所提高,α型晶体和γ型晶体均增多。力学性能测试和扫描电镜观察实验结果都表明在炭纤维表面接枝聚酰胺链段后,炭纤维与基体尼龙6的界面粘接性和相容性得到提高,力学性能测试表明,聚砜的加入提高了复合材料的弯曲强度。