基于磁控溅射C/C膜界面复合材料的制备

作     者：王孝锋 

作者单位：安徽工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：侯大寅;吴波

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：磁控溅射 碳膜 表面粗糙度 浸润性 界面 性能 

摘      要：碳纤维增强树脂基复合材料因自身优异的性能,被广泛应用到了各大领域。但由于碳纤维表面光滑、浸润性差、呈化学惰性,导致碳纤维与基体之间的界面粘结强度低,影响了复合材料最佳力学性能的发挥,不能完全满足各大领域的应用需求。本文为使复合材料的界面粘结强度得到改善,采用磁控溅射技术在碳纤维表面沉积碳膜对其进行改性,探究磁控溅射工艺对碳膜结构及碳纤维增强复合材料力学性能的影响。首先以单晶硅为媒介,在硅片表面沉积碳膜,利用单因素分析法探究磁控溅射工艺对碳膜结构与性能的影响,采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、静态接触角测量仪对碳膜进行表征。结果表明:随着溅射功率的提高,碳膜厚度与表面粗糙度逐渐增大,致密性逐渐改善,静态接触角先增大后减小;随着溅射时间的延长,碳膜的厚度与表面粗糙度逐渐增加,均匀性在一定的溅射时间内逐渐改善,静态接触角在30 min时最小,浸润性最好;随着溅射压强的增大,碳膜厚度越来越小,表面粗糙度先增大后减小,致密性在过高的溅射压强下会变差,静态接触角先减小后增大。为了进一步改善碳膜的结构和性能,对碳膜进行热处理,探究热处理温度与时间对碳膜结构与浸润性的影响,结果表明:热处理后,碳膜的表面有晶状体结构出现,粗糙度显著增加,静态接触角减小,浸润性改善。在1100℃时,粗糙度达到最大值4.58 nm,浸润性最佳;同时热处理时间也有一定影响,在30 min时,粗糙度最大,浸润性好,静态接触角仅有44.58°。最后采用注塑成型方法将经过不同工艺改性的碳纤维与环氧树脂复合,制备成复合材料,分析不同工艺下的碳膜结构对碳纤维复合材料力学性能的影响。结果表明:经过磁控溅射工艺改性后,复合材料的抗拉与抗弯强度都得到提高,当溅射功率为250 W、时间30 min、压强1.0 Pa时改性效果最佳,抗拉与抗弯强度分别为138.31 MPa、103.49 MPa,与未改性前相比增加了44.04%、69.57%。且经过改性后的碳纤维增强环氧树脂基复合材料在拉伸时,不再发生瞬间断裂,而是出现先屈曲,后断裂的拉伸现象。热处理后,碳纤维的石墨化程度增加,D峰和G峰的强度增加,当热处理温度为1000 ℃、时间40 min时,抗拉与抗弯强度达到最佳,分别为40.61 MPa、80.94 MPa,与热处理前相比,提高了33.67%、5.1%。