重氮反應(yīng)修飾碳纖維表面及其復(fù)合材料界面性能研究.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料因其具有高比強(qiáng)度和高比剛度而被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池、深海鉆井平臺(tái)等多個(gè)行業(yè)。復(fù)合材料的界面會(huì)影響應(yīng)力和裂紋的傳播方式和整個(gè)復(fù)合材料的破壞模式，是復(fù)合材料力學(xué)性能的主要決定因素，也是復(fù)合材料中至關(guān)重要的一部分。但碳纖維光滑、惰性的表面使其很難與樹(shù)脂形成強(qiáng)大的界面結(jié)合強(qiáng)度。因此，碳纖維的前期表面處理過(guò)程是必不可少的環(huán)節(jié)，通過(guò)增加纖維表面粗糙度、表面能和化學(xué)鍵合等物理和化學(xué)方式提高復(fù)合材料的界

2、面結(jié)合強(qiáng)度。但是，很多改性方法在提高界面性能的同時(shí)，卻存在犧牲碳纖維本體強(qiáng)度，污染環(huán)境，步驟繁瑣等問(wèn)題。本文將從碳纖維、環(huán)氧樹(shù)脂的自身特性及其復(fù)合材料界面微結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，在不損傷碳纖維本體強(qiáng)度和減少環(huán)境污染的前提下，以提高碳纖維復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度為目標(biāo)，借助重氮反應(yīng)的靈活性，設(shè)計(jì)制備出苯胺接枝碳纖維、苯甲酸接枝碳纖維和碳納米管/碳纖維多尺度增強(qiáng)體，并對(duì)其微觀、宏觀性能以及增強(qiáng)增韌機(jī)制進(jìn)行表征和分析。
　　以熔融尿素作為反應(yīng)介質(zhì)，

3、利用重氮接枝方法快速將單一種類(lèi)的含氧官能團(tuán)——苯甲酸基團(tuán)引入到碳纖維表面。苯甲酸基團(tuán)的引入提高了碳纖維表面粗糙度和表面能，并且羧基可與樹(shù)脂基體發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)，在界面區(qū)域起到了化學(xué)鍵合作用，較大程度地提高了復(fù)合材料的界面結(jié)合能力。碳纖維復(fù)合材料的界面性能經(jīng)過(guò)熔融重氮接枝苯胺基團(tuán)后得到了顯著的改善，與未處理碳纖維復(fù)合材料相比，其復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度（IFSS）和層間剪切強(qiáng)度（ILSS）分別提高了66.4％和46.7%，抗沖擊強(qiáng)度提高了3

4、0.2%。此外，苯甲酸接枝碳纖維的單絲拉伸強(qiáng)度仍保持著理想的本體強(qiáng)度，幾乎沒(méi)有受到損傷。
　　為進(jìn)一步提高碳纖維的改性效果，利用重氮接枝技術(shù)在水相中對(duì)碳纖維進(jìn)行改性處理，在碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料界面中引入苯胺基團(tuán)，系統(tǒng)研究了反應(yīng)配比對(duì)碳纖維表面微結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和復(fù)合材料界面性能的影響。苯胺基團(tuán)的引入改善了纖維表面極性、粗糙度及浸潤(rùn)性，提高了纖維與樹(shù)脂間的接觸面積和力學(xué)鎖合作用效果，從而提高了碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的界面粘接性能。當(dāng)

5、碳纖維、對(duì)苯二胺、亞硝酸異戊酯的物質(zhì)的量比為1:4:2，反應(yīng)時(shí)間為12 h時(shí)，纖維表面化學(xué)組成、形貌以及復(fù)合材料界面性能達(dá)到最佳狀態(tài)。苯胺接枝碳纖維復(fù)合材料的IFSS和ILSS由未處理碳纖維復(fù)合材料的46.8 MPa和41.5 MPa，分別提高至81.1 MPa和62.5 MPa，分別提高了73.3%和50.6%，抗沖擊強(qiáng)度也提高了34.9%，與此同時(shí)，苯胺接枝碳纖維的單絲拉伸強(qiáng)度降幅控制在3%以?xún)?nèi)。
　　以改性效果較好的苯胺接枝

6、碳纖維表面的氨基作為第二次重氮反應(yīng)的活性中心，利用重氮接枝反應(yīng)的高適配性，通過(guò)二次重氮反應(yīng)將未處理的多壁碳納米管以化學(xué)鍵合的形式接枝到碳纖維表面，得到了一種碳納米管/碳纖維（CNT/CF）多尺度增強(qiáng)體。表征結(jié)果顯示，碳納米管以不同角度均勻分布在碳纖維表面，同時(shí)未出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。與未處理碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料相比，CNT/CF多尺度增強(qiáng)體復(fù)合材料的ILSS和IFSS分別提高了79.0%和104.7%，抗沖擊強(qiáng)度也提高了49.7%。碳納米管獨(dú)特