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氧化石墨烯/BPEI/碳纤维跨尺度增强体的制备及界面性能研究

氧化石墨烯/BPEI/碳纤维跨尺度增强体的制备及界面性能研究

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作者：王雪哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

为满足生产、生活及国防领域的发展需求,需要不断优化和调控先进复合材料的性能。复合材料中界面相的结构与界面相的厚度,会对复合材料的最终性能产生巨大影响,因此设计并控制复合材料的界面十分必要。碳纤维在复合材料领域的作用至关重... 详细信息

为满足生产、生活及国防领域的发展需求,需要不断优化和调控先进复合材料的性能。复合材料中界面相的结构与界面相的厚度,会对复合材料的最终性能产生巨大影响,因此设计并控制复合材料的界面十分必要。碳纤维在复合材料领域的作用至关重要,但其相对平滑的惰性石墨片层和较低的表面能使其作为增强体与聚合物基体的浸润性能差,无法实现良好黏合。为了增加碳纤维表面的活性官能团含量,同时提高引入的官能团与聚合物基体的反应活性,研究者们通过酰胺反应将具备大量活性氨基基团的分子接枝到碳纤维表面。但发生酰胺反应所需要的肽缩合试剂通常具有强烈毒性,反应过程也较为复杂,因此本文利用枝化聚乙烯亚胺和氧化石墨烯,以更为环保、便捷和快速的方式对碳纤维进行表面改性,制备出枝化聚乙烯亚胺接枝碳纤维和氧化石墨烯接枝碳纤维跨尺度增强体,并研究相应的界面性能变化机理。本文的主要研究内容如下:通过静电作用制备了枝化聚乙烯亚胺接枝碳纤维跨尺度增强体;通过XPS验证枝化聚乙烯亚胺与碳纤维的连结方式为化学键合;测试其表面能得知枝化聚乙烯亚胺的引入使碳纤维表面能增加了90%以上,改善了碳纤维与聚合物基体的浸润性能;结合XPS分析结果、表面能的变化趋势以及微滴脱粘实验的结果,确定出当枝化聚乙烯亚胺溶液的反应浓度为0.1%wt时,对界面强度的贡献最大,与碳纤维原丝相比,界面剪切强度提升了46.34%。以枝化聚乙烯亚胺为媒介,将氧化石墨烯接枝到碳纤维表面,用以强化碳纤维与聚合物基体的机械绞合,提升碳纤维表面能,进而提高复合材料的界面结合强度。通过XPS对碳纤维增强体表面化学状态进行表征,证实了氧化石墨烯以枝化聚乙烯亚胺为媒介,通过化学键接枝到碳纤维表面;借助SEM观察碳纤维增强体的表观形貌,确定出接枝反应的最佳反应浓度、反应时间和反应方式;借助表面能的测试,验证了氧化石墨烯的引入使碳纤维与聚合物基体的浸润性能提高了47.08%;进行界面剪切强度测试,接枝氧化石墨烯后,碳纤维与基体的界面强度提升了18.44%。

关键词：聚合物基复合材料复合材料界面设计跨尺度增强体碳纤维

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基于点击化学法制备碳纤维跨尺度增强体及其复合材料力学性能研究

基于点击化学法制备碳纤维跨尺度增强体及其复合材料力学性能研究

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作者：詹凤南昌航空大学

学位级别：硕士

碳纤维复合材料在航空航天、汽车、建筑等领域有着不可替代的地位,对于碳纤维复合材料而言,良好的界面性能是材料力学性能的保证。但由于碳纤维表面光滑无活性基团,与树脂基体结合时主要依靠的是物理结合,使得碳纤维复合材料的力学性能... 详细信息

碳纤维复合材料在航空航天、汽车、建筑等领域有着不可替代的地位,对于碳纤维复合材料而言,良好的界面性能是材料力学性能的保证。但由于碳纤维表面光滑无活性基团,与树脂基体结合时主要依靠的是物理结合,使得碳纤维复合材料的力学性能远远达不到预期,因此有必要对碳纤维的表面进行改性,提高纤维与树脂的结合,改善复合材料的界面性能。本文通过对碳纤维表面进行多步处理,结合纳米材料氧化石墨烯、超支化聚（硫醚-酯）及超支化聚酯,依靠点击化学法快速有效的制备跨尺度增强体,然后选用环氧树脂为基体制备复合材料。氧化石墨烯的加入可提高碳纤维表面的粗糙度,大幅增加纤维与树脂基体的机械啮合效应,超支化聚（硫醚-酯）和超支化聚酯的引入使得碳纤维表面的活性基团增加,与环氧树脂之间的化学键合和浸润性都得到了提高。因此,氧化石墨烯和超支化聚合物的引入可明显改善碳纤维与树脂基体间的相容性,提高两者间的界面强度。基于此,本文采用了“grafting from”和“grafting to”两种不同的接枝手段来实现超支化聚合物和氧化石墨烯在碳纤维表面的接枝。具体研究内容如下:（1）碳纤维经过丙酮去胶处理后,分别采用硝酸氧化法和等离子体氧化法对碳纤维进行表面处理,得到氧化碳纤维（CF-Oxi）;通过傅里叶红外吸收光谱仪（FTIR）对两种方法改性的碳纤维进行表征,结果表明两种方法均能够使得碳纤维表面引入含氧活性基团;通过对比两种方法的实验条件和最终接枝效果,发现等离子体法更为安全、简单、高效。（2）采用γ-巯丙基三甲氧基硅烷（KH590）对碳纤维和氧化石墨烯表面进行改性,通过水解缩合反应得到巯基功能化碳纤维（CF-KH590）和巯基功能化氧化石墨烯（GO-KH590）;利用傅里叶红外吸收光谱仪、综合热分析仪（TGA）等对产物进行表征;结果表明,KH590成功接枝在碳纤维和氧化石墨烯表面,且接枝率分别为5.13%和6.70%。（3）基于跨尺度结构设计的思想,分别采用“grafting from”和“grafting to”两种不同的接枝手段制备了氧化石墨烯-超支化聚（硫醚-酯）-碳纤维（GO-HPTEE-CF）跨尺度增强体和氧化石墨烯-超支化聚酯-碳纤维（GO-H20-CF）跨尺度增强体;通过FT-IR、TGA、X射线光电子能谱（XPS）对产物进行表征,结果表明两种方法成功制备出了跨尺度增强体;此外,力学性能测试结果表明,两种超支化聚合物的引入均能有效防止氧化石墨烯在碳纤维表面的团聚,并能有效提高碳纤维的力学性能。（4）选用环氧树脂E-51为基体,三乙烯四胺为固化剂,与不同改性阶段的碳纤维制备成复合材料并对其力学性能进行表征。结果表明:改性后的碳纤维界面性能得到提高,以共价键结合和机械啮合共同作用的界面能够帮助碳纤维复合材料承受更大的载荷和避免应力集中;GO-H20-CF跨尺度增强体单丝拉伸强度、复丝拉伸强度相比原始碳纤维分别提高了35.66%和44.34%。GO-H20-CF跨尺度增强体复合材料的弯曲强度、层间剪切强度、界面剪切强度相比原始碳纤维复合材料分别提高了34.58%、59.94%和147.99%。GO-HPTEE-CF跨尺度增强体单丝拉伸强度、复丝拉伸强度相比原始碳纤维分别提高了21.45%和34.19%,其复合材料的弯曲强度、层间剪切强度、界面剪切强度分别提升了23.99%,50.19%和136.96%。场发射扫描电镜结果显示,两种跨尺度增强体复合材料断口处的纤维拔出较少,且纤维断口不平整,表面附着有大量树脂,表明纤维与树脂基体之间的黏附作用增强,结合更为牢固,界面性能得到提高。

关键词：碳纤维跨尺度增强体界面性能氧化石墨烯超支化聚合物

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多尺度复合材料增强体的构筑与增强机制研究

多尺度复合材料增强体的构筑与增强机制研究

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作者：陈强哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

聚合物基复合材料具有高比强度、高比模量、低密度、耐高低温、耐腐蚀性和抗疲劳等优良性能,在航空航天等军事上有着极高的应用价值。然而碳纤维表面缺乏极性基团而且活性基团也较少,聚合物基体与碳纤维之间的润湿性和吸附性较差,使得... 详细信息

聚合物基复合材料具有高比强度、高比模量、低密度、耐高低温、耐腐蚀性和抗疲劳等优良性能,在航空航天等军事上有着极高的应用价值。然而碳纤维表面缺乏极性基团而且活性基团也较少,聚合物基体与碳纤维之间的润湿性和吸附性较差,使得表面能较低。这些因素导致了致碳纤维复合材料界面强度较差,阻碍了从基体到纤维的载荷传递,碳纤维增强聚合物基复合材料优异性能无法完全发挥出来。同时增强体在聚合物中分散不均匀也成为复合材料性能提升的瓶颈。为了改善界面强度,解决分散性难题,提高复合材料性能,设计并制备了碳纳米管/碳纤维多尺度增强体和天然木材/环氧树脂多尺度增强复合材料。采用化学组装方法将碳纳米管接枝到碳纤维表面,碳纳米管均匀分布在碳纤维表面,碳纤维与聚合物基体间的机械啮合能力得到改善,进而实现了复合材料界面强度的增强。XPS结果证实,碳纳米管以PPI树枝状大分子为媒介,依靠高强度的化学键接枝到碳纤维表面。碳纳米管/碳纤维跨尺度增强体FESEM结果表明,碳纳米管在碳纤维表面实现了高密度,高均匀度的接枝。表面能测试结果证实,碳纤维与聚合物基体间的润湿性在接枝碳纳米管后得到提高。同时,碳纳米管的接枝也提供了碳纤维与聚合物基体间的机械互锁效应,裂纹在界面处的扩展得到进一步阻碍,最终界面强度提升109%。天然木材具有自然形成的多尺度结构,而且从微观角度,木材内部去除的木质素部分会留下孔隙,这将便于接下来环氧树脂的进入。利用化学方法处理的木材,内部管道表面会引进大量的含氧基团,进一步改善木材表面与环氧树脂的润湿性能,提高界面强度。纵向木材/环氧树脂多尺度增强复合材料弯曲强度达到180Mpa,比原始木材提升了36%,比环氧树脂提升了100%;横向木材/环氧树脂多尺度增强复合材料弯曲强度比原始木材提升了108%;横向木材/环氧树脂多尺度增强复合材料拉伸强度比原始木材提升了107%。利用木材碳化后会获得优异的导电性能的特点,进一步制备天然木材衍生碳材料,研究其电磁屏蔽性能。电磁屏蔽测试结果表明,木在8-12GHz范围内,材衍生碳/环氧树脂复合材料的电磁屏蔽效能平均为15d B,最高可达32d B,经过计算透射系数约为0,反射系数约为0.7。这一结果表明几乎没有电磁波透过材料,接近80%的电磁波在样品表面反射,证明该材料电磁屏蔽效能优异。木材衍生碳/r GO复合材料的电磁屏蔽效最高可达32d B;木材衍生碳/Mxene复合材料的电磁屏蔽效能最高可达27d B。

关键词：聚合物基复合材料复合材料界面设计跨尺度增强体天然木材增强体

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