碳纖維表面處理及其增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能研究（下）

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        氨水和濃HNO3對碳纖維表面處理及其增強環(huán)氧樹脂界面性能研究
        氨水改性碳纖維及其增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能研究實驗部分

        碳纖維表面光滑且呈化學(xué)惰性，與基體浸潤性差，不能與基體進行有效粘合。因此，要獲得界面結(jié)合性能優(yōu)良的碳纖維復(fù)合材料，必須對其進行表面處理，通過表面處理可以改善碳纖維的表面浸潤性，產(chǎn)生適合于粘結(jié)的表面形態(tài)，從而提高復(fù)合材料的界面結(jié)合性能。
       復(fù)合材料界面性能的提高主要歸功于纖維表面粗糙度的增大和纖維表面極性官能團的增多這兩個因素。在對纖維進行表面處理時，這兩個因素往往同時出現(xiàn)并對復(fù)合材料的界面性能的改善同時起作用，這兩個因素之間的關(guān)系，以及是否存在對復(fù)合材料界面性能的提高起主要作用的因素，目前尚沒有被弄清楚，這就需要對這兩個影響因素進行分別研究.
        實驗中選用PAN基碳纖維和雙酚A型環(huán)氧樹脂作為復(fù)合材料的增強體和樹脂基體，采用氨水處理方法對碳纖維表面進行改性?？疾煸?4h、48h、72h、96h、120h不同處理時間下，對碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能的影響進行了研究。
       結(jié)果與討論: 界面結(jié)合強度（IFSS）是評價增強纖維與樹脂基體界面粘結(jié)好壞的一個重要性能。我采用單絲拔出實驗的方法得到碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面結(jié)合強度，并研究了表面粗糙度對碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面粘結(jié)性能的影響。圖3-1為A-CF/EP復(fù)合材料的界面結(jié)合強度。
       A-CF/EP復(fù)合材料的界面結(jié)合強度均高于CF/EP復(fù)合材料的界面結(jié)合強度，處理時間分別為24h、48h、72h、96h時，界面結(jié)合強度分別提高了2.4%、5.2%、30.3%和31.9%，處理時間為120h時，復(fù)合材料的界面結(jié)合強度提高幅度最大，提高了55.0%。這是因為氨水處理碳纖維的刻蝕作用在其表面上形成了分子尺寸的刻蝕坑，大大提高了碳纖維表面的粗糙度和增大了其比表面積。當(dāng)碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合時，環(huán)氧樹脂填充到碳纖維表面的刻蝕孔洞，冷卻后碳纖維與環(huán)氧樹脂之間就生成了凹凸不平、犬牙交錯的界面，從而產(chǎn)生良好的機械錨定效應(yīng)，使得復(fù)合材料的界面粘結(jié)強度得到增大。雖然長時間處理使纖維的單絲拉伸強度有所下降，但是復(fù)合材料界面粘結(jié)的增強有利于外界應(yīng)力在纖維和樹脂基體之間的傳遞，所以處理后A-CF/EP復(fù)合材料的界面結(jié)合強度仍然提高了。
濃HNO3改性碳纖維及其增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能研究實驗部分
        研究了纖維表面粗糙度的增大和纖維表面極性官能團的增多這兩個因素同時存在時，如何共同對碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的提高起作用，還探討了這兩個因素之間的關(guān)系以及哪一個因素對復(fù)合材料界面性能的提高起主導(dǎo)作用。實驗中選用PAN基碳纖維和雙酚A型環(huán)氧樹脂作為復(fù)合材料的增強體和樹脂基體，采用濃HNO3處理方法對碳纖維表面進行改性?？疾煸?0min、20min、30min、60min、90min、4h、10h不同處理時間下，對碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能的影響因素進行了研究。
結(jié)果與討論濃HNO3處理時間對碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面結(jié)合強度的影響。從圖中可以看出，隨著濃HNO3處理時間的增加，復(fù)合材料的界面結(jié)合強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在處理時間為90min時達(dá)到最大值44.5MPa，與CF相比增加了77.2%。
隨濃HNO3時間增加，復(fù)合材料的界面結(jié)合強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在處理時間為90min時達(dá)到最大值44.5MPa，與CF相比增加了77.2%。纖維表面粗糙程度變化不大時，表面含氧活性官能團的數(shù)量迅速增加，已經(jīng)可以與樹脂基體在界面形成很強的化學(xué)粘結(jié)，但是在濃HNO3下處理10min和20min時的復(fù)合材料的界面結(jié)合強度與未處理的相比，增加幅度并不大，分別為2.4%和4.8%，這說明在濃HNO3處理碳纖維時起到的物化雙效作用中，機械錨定作用對復(fù)合材料的界面粘結(jié)起主導(dǎo)作用。
結(jié)論本文分別采用氨水和濃HNO3對碳纖維進行了兩種不同性質(zhì)的表面處理，研究了兩種處理方法對碳纖維表面特性對其增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的影響，得出以下結(jié)論：

1） 氨水處理以刻蝕作用為主，能使碳纖維表面粗糙度有不同程度的增加，但表面化學(xué)活性不受影響。
2） 濃HNO3處理起物化雙效的作用，可以同時增加碳纖維表面粗糙度和表面活性掛能團的數(shù)量。
3） 長時間氨水處理可以使碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面形成更好地機械錨定作用，在氨水處理120h時復(fù)合材料有最好的界面結(jié)合強度；濃HNO3處理使纖維相和樹脂相二者間的化學(xué)鍵合和機械錨定兩種界面作用力得到增強，這時機械錨定作用對復(fù)合材料的界面粘結(jié)起主導(dǎo)作用，處理90min時復(fù)合材料的界面結(jié)合最佳，界面結(jié)合強度為44.5MPa；雖然A-CF120的表面粗糙程度高于N-CF90，但其復(fù)合材料的界面粘結(jié)強度低，說明雖然EP分子嵌入碳纖維表面的空隙形成機械粘結(jié)有利于增加復(fù)合材料的粘結(jié)強度，但機械的嵌合缺乏足夠的柔性，在承受載荷時容易發(fā)生脆斷。

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