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基于横向拉伸法对碳纤维/环氧树脂低温界面性能

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发表于 2015-11-5 10:10:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
界面强度的表征一直是复合材料研究领域里十分重要的课题。对于纤维与基体粘接强度的测定,传统的方法分为两类。一类是微观尺度上的单纤维测试,包括拔出法(pull-out),推出法(push-out)和微粘结法(microbond)等;另一类则是宏观尺度上的复合材料测试,包括层间剪切(短梁剪切)、导槽剪切、IosiPescu剪切、圆筒扭转等对界面强度比较敏感的性能试验。然而,这些方法最显著的缺点是无法应用于超低温环境,且纤维消耗量大。近年来,利用纤维束(fiber bundle)实验测试纤维与基体粘接强度的方法逐渐发展起来,这一方法能够有效地降低纤维个体差异的影响,模拟与实际应用相近的情况,同时兼具简单方便的优点,并且对纤维与基体粘接强度相当敏感,重复性好,是一种可靠的测试手段。因此,本文采用横向拉伸法,通过对树脂基体的纳米碳管和超支化聚合物改性和对碳纤维的氧化改性两方面入手,来考察碳纤维/环氧树脂复合界面在室温(RT)及液氮温度(77 K)下的界面性能,并通过断面微观形貌的分析,探讨横向拉伸强度与断面形貌之间的关系。 取得的主要研究结果如下:1)RT及77 K下,随着MWCNT含量的增加,横向拉伸强度先增大后减小,MWCNT含量为0.5 phr时为最佳,一定量的MWCNT的加入,对界面均能起到很好的改善作用。这是因为MWCNT的非极性表面,改善了树脂体系对碳纤维的浸润性,另外MWCNT在界面处能起到物理的锚定作用。2)在此研究基础上,进一步通过超支化聚合物Boltorn H2004对树脂体系改性,随着超支化聚合物的加入,横向拉伸强度显著下降,这是因为超支化聚合物较高的表面能,显著影响了树脂体系对碳纤维的浸润性。另外,超支化聚合物的加入显著增大了树脂体系的粘度。3)对碳纤维T700在100℃,50 wt.%的HNO3下进行液相氧化改性,随着氧化时间增长,RT及77 K下横向拉伸强度均出现先增大后减小的趋势,在氧化时间为1 h时横向拉伸强度为最大值。碳纤维通过液相氧化,含氧极性官能团增加,碳纤维表面能增加,改善浸润性,并且部分含氧官能团如羧基能参与环氧树脂的固化反应,形成化学键合;碳纤维氧化后,表面变得粗糙,利于树脂基体对碳纤维的咬合,从而提高了横向拉伸强度,因此提高了碳纤维-基体之间的界面粘接。


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