碳纤维液下激光表面改性及其溶液体系优化研究
碳纤维由于其良好的高温热固性和能够耐受高温的热力增塑性逐渐发展成为复合材料中重要的耐热增强型纤维之一，主要特点是其具有很高的比塑性强度，比模量，较低的比密度和优良的热物理特性，已广泛用于体育、航天航空以及汽车等领域。碳纤维作为一种具有优异性能的纤维，其主要被用来增强树脂等基体与其合成的复合材料。但因为一般碳纤维材料表面活性基团较少，其与基体问的相互结合性较差，从而影响了复合材料的使用性能和寿命。所以通过研究对碳纤维进行有效表面改性可以改善其与基体相互作用合成的复合材料中的界面特性，制得性能较好的复合材料。本论文以PAN基碳纤维为研究的对象，研究了碳纤维在液下受激光辐照条件下，碳纤维的温度场模拟和数值解，同时在得到数值解的基础上，利用分子动力学模拟，从原子角度对碳纤维在不同溶液中改性的微观过程进行了探索，分析反应机理。主要研究内容与结果如下: (1)介绍了碳纤维液下激光表面改性所需的实验装置和所需材料，阐述了实验步骤和实验原理，分别做了在不同工艺参数，不同环境下碳纤维的激光辐照改性实验，对比处理后碳纤维的表面形貌以及表面元素含量。得出碳纤维受激光辐照时间越长，改性效果越好;碳纤维在水中较空气中受激光辐照改性效果更好。基于激光辐照发出的能量呈高斯分布的特征，建立激光器高斯热源模型。根据现有的实验平台对实验装置和实验材料建立了三维物理模型并进行网格划分处理，为后续碳纤维在液下受激光辐照改性时的表面温度场数值模拟研究奠定基础。 (2)在建立好物理模型的基础上，采用有限元法，基于COMSOL平台，模拟了碳纤维液下改性过程中的流场分布。根据碳纤维材料热性能参数，在添加高斯热源及温度边界条件下根据热传导方程模拟得到碳纤维液下改性过程中的温度场分布及数值解。研究呵得碳纤维丝束表面的温度分布受激光功率、丝束移动速度以及改性环境等因素的影响。增大辐射激光功率、降低丝束移动速度以及改变碳纤维改性时的环境，都会得到不同的温度分布参数，为后续碳纤维改性机理的模拟提供理论指导。 (3)通过反应分子动力学模拟，分别研究了在无机溶液H2O2溶液以及有机PEG溶液中，碳纤维受激光辐照时的改性机理。在热稳定化条件下，溶液在瞬时高温下电离出活性基团，氢基、羟基等自由基能与石墨烯分子链发生反应，不仅能在主链上接枝上含氧官能团羟基以及氢基，并且在PEG溶液中，还能在缺陷的石墨烯分子链中补充C原子，将缺陷填补。结果表明，温度越高，碳纤维在溶液中反应越激烈，接枝活性含氧基团更多，有利于提高碳纤维表面改性程度。
碳纤维液;激光表面改性;溶液体系;温度分布模拟
北京化工大学
硕士
动力工程及工程热物理
关昌峰
2021
中文
TQ342.742;TQ340.654
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）