微/纳米粒子协同增强增韧碳纤维复合材料的实现机制研究
碳纤维复合材料由于碳纤维的各向异性和树脂基体的脆性，通常存在横向强度低，抗分层能力弱，断裂韧性差等问题，因此研究复合材料的增强增韧具有重要意义。传统增强增韧的方法大致可分为三类:第一类是对树脂基体进行改性，但增韧剂的加入会导致基体粘度的骤增，增加复合材料成型加工的难度，而且对复合材料的增强增韧效率较低;第二类方法是直接增韧复合材料层间方向或厚度方向的薄弱区域，该方法增韧效率高，但通常会牺牲复合材料的刚性和强度;第三类方法是对纤维进行表面物理或者化学改性，改善碳纤维与树脂基体之间的界面相容性和粘结强度。本文综合三类方法的优缺点，建立了热塑性微米粒子原位层间增韧的新方法，利用微/纳米粒子之间的自组装效应实现了协同增强增韧复合材料的效果，同时研究了荧光纳米粒子对碳纤维/环氧基体界面层的荧光标记和界面增强作用。 1.设计聚醚砜(PES)和聚酰胺(PA)微米粒子协同增韧的环氧树脂基体，以具有活性端基的低分子量聚醚砜作为环氧树脂的本体增韧剂，通过半互穿网络结构，有效提高了环氧树脂基体的柔性。PA则以不溶性微米粒子的形式均匀分散在树脂中，起到颗粒增韧的作用，成功制备了PES与PA协同增韧的环氧树脂基体。采用热熔法成型工艺制备碳纤维预浸料，建立了微米粒子“原位层间增韧”复合材料的方法。研究了PA微米粒子在预浸料表面的分散和取向状态，根据热熔法预浸料的加工过程，建立了纤维筛滤和剪切压延取向的机理模型。由于PA微米粒子富集在复合材料的层间区域，原位形成了层间增韧层，复合材料的层间断裂韧性和损伤容限显著提高，Ⅰ型断裂韧性GIC和冲击后压缩强度(CAI)分别提高了181％和177％。 2.通过酸化-环氧化两步法制备了环氧官能化碳纳米管(MWNTs-EP)，研究了不同结构环氧树脂对MWNTs-EP的接枝率和分散性的影响。三官能度环氧树脂TGAP由于反应活性高，MWNTs-TGAP的接枝率最高，在环氧树脂中的分散稳定性好。力学性能和微观形貌研究表明，高接枝率MWNTs-TGAP对环氧树脂体系的增强效果最佳。 3.由于高接枝率环氧官能化碳纳米管(MWNTs-EP)表面呈电负性，PA微米粒子表面带正电，通过静电吸附作用，制备了自组装的微-纳米杂化粒子PA-MWNTs-EP。将自组装微-纳米粒子引入复合材料层间增韧胶膜，研究了其对复合材料力学性能的影响，结果表明PA-MWNTs-EP层间增韧的复合材料层间断裂韧性和层间剪切强度均明显高于单独采用PA微米粒子或MWNTs-EP纳米粒子层间增韧的复合材料，微-纳米粒子增强增韧的协同效应归因于PA-MWNTs-EP杂化粒子、碳纤维、以及树脂基体之间的多尺度化学界面层的建立。 4.为表征复合材料界面层的结构形貌，利用掺杂荧光纳米粒子(LNs)的上浆剂对碳纤维进行上浆。研究了LNs对碳纤维/环氧树脂界面层的荧光标记作用，激光共聚焦显微镜(LCM)对碳纤维/环氧树脂界面层的观察表明经过荧光标记的界面层厚度约为1.2μm。界面力学性能测试表明，LNs显著提高了碳纤维/树脂基体的界面结合。
碳纤维复合材料;增强处理;增韧工艺;微米粒子;纳米粒子;自组装效应
北京化工大学
博士
材料科学与工程
杨小平
2016
中文
TB33
142
2017-05-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）