碳纖維多尺度增強(qiáng)體的制備及其結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

1、碳纖維(CF)是含碳量在90％以上的無機(jī)纖維，與樹脂基體經(jīng)復(fù)合工藝制得的復(fù)合材料性能優(yōu)異，已廣泛應(yīng)用在航空航天、導(dǎo)彈和民用領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能與碳纖維和基體的界面粘接性能相關(guān)，未經(jīng)處理的碳纖維的表面能低，表面微晶尺寸較大，與樹脂基體的界面結(jié)合較弱，因此要對碳纖維進(jìn)行表面處理。本文的研究目的就是通過各種方法進(jìn)行碳纖維的表面改性，以提高碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能及層間性能。碳納米管、石墨烯自問世以來，一直是碳材料研究的焦點(diǎn)，通過處理

2、可以獲得豐富的活性官能團(tuán)及良好的分散性，用其處理碳纖維表面，可以顯著改善碳纖維與基體樹脂的界面性能。
　　首先，本文通過對碳纖維表面碳納米管的連續(xù)化生長工藝的探究來對碳纖維進(jìn)行表面改性，方法是:碳纖維走絲經(jīng)臥式碳化爐時，采用化學(xué)氣相沉積法在碳纖維表面生長碳納米管。本文經(jīng)過詳細(xì)討論及大量實(shí)驗(yàn)研究可能影響碳纖維表面生長碳納米管的連續(xù)化生產(chǎn)工藝的各種參數(shù)后，確定了最佳的連續(xù)化工藝:即利用低溫燃燒法對碳纖維進(jìn)行去膠處理，選擇二茂鐵作為催化

3、劑，以二甲苯為溶劑;選擇750℃，氮?dú)獯祾?，控制含碳?xì)怏w與氮?dú)獾谋壤?碳纖維以8m/h走絲速度連續(xù)穿過石英管，實(shí)現(xiàn)碳纖維表面碳納米管的連續(xù)化生長，通過掃描電鏡(SEM)及透射電鏡(TEM)等測試分析，可觀察到碳纖維表面有一層直徑為20-100nm、長度為2-5um的碳納米管。
　　通過化學(xué)接枝改性的方法對碳纖維進(jìn)行表面處理，主要方法為碳纖維接枝碳納米管、碳纖維接枝氧化石墨烯。1）碳纖維接枝碳納米管的機(jī)理為:以乙二胺為中間體，采用水

4、熱法，將酸化的碳納米管接枝到處理的碳纖維上;本文經(jīng)過詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)及討論確定了碳纖維接枝碳納米管的最佳工藝為:以碳納米管∶N，N-二甲基甲酰胺為1(g)∶1000(ml)的比例，在其中一定量的乙二胺;將碳纖維加入水熱釜，將水熱釜放入180℃烘箱中反應(yīng)48h，得到多尺度增強(qiáng)體。2）碳纖維接枝氧化石墨烯:利用硅烷偶聯(lián)劑KH550處理酸化處理的T300碳纖維，將碳纖維放入由改進(jìn)H法制備的氧化石墨烯水溶液中，通過碳纖維表面的硅烷偶聯(lián)劑與氧化石墨烯之

5、間的電荷吸附作用及化學(xué)反應(yīng)，然后通過熱處理將氧化石墨烯接枝到碳纖維表面，并對碳纖維多尺度增強(qiáng)體表面官能團(tuán)、表面形貌、表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，由于石墨烯包覆碳纖維的表面，并且碳纖維與氧化石墨烯之間形成了化學(xué)鍵，改善了碳纖維的表面結(jié)構(gòu)。
　　實(shí)驗(yàn)還對表面處理后碳纖維的力學(xué)性能、傳導(dǎo)性能以及單絲層間剪切性能做了測試，發(fā)現(xiàn):1）碳纖維表面生長碳納米管后其拉伸強(qiáng)度減小了5.7％，碳纖維復(fù)合材料的單絲層間剪切強(qiáng)度提高了46.0％;2)碳纖維表面接