碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料研究進展

碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料研究進展第1頁/共36頁20世紀70年代以前，EP/CF復合材料被視為昂貴的材料，價格約為玻璃纖維(GF)增強復合材料的10倍，只用于軍工、宇航等尖端技術行業(yè)。20世紀80年代以后，CF工業(yè)和EP工業(yè)迅速發(fā)展，EP/CF復合技術不斷進步，加入到EP中的CF比例不斷上升。

目前CF的體積分數(shù)已可達60％以上，使EP/CF復合材料的質(zhì)量提高而價格下降，拓寬了其應用領域，進一步促進了EP/CF復合材料的發(fā)展。

高性能塑料與工程背景介紹2011.01.13EP/CF復合材料的發(fā)展：2第2頁/共36頁

高性能塑料與工程第一部分：碳纖維表面處理2011.01.13表面處理目的：提高碳纖維增強復合材料中碳纖維與基體的結(jié)合強度。途徑：

清除表面雜質(zhì)；在纖維表面形成微孔或刻蝕溝槽，從類石墨層面改性成碳狀結(jié)構(gòu)以增加表面能；引進具有極性或反應性官能團；形成能與樹脂起作用的中間層。3第3頁/共36頁氣相氧化法液相氧化法陽極氧化法等離子體氧化法表面涂層改性法

高性能塑料與工程第一部分：碳纖維表面處理2011.01.134第4頁/共36頁2011.01.13W.H.Leeetal./AppliedSurfaceScience171(2001)136-142

氣相氧化法是將碳纖維暴露在氣相氧化劑中，在加溫、加催化劑等特殊條件使其表面氧化生成一些活性基團。

高性能塑料與工程第一部分：碳纖維表面處理氣相氧化法：5第5頁/共36頁

采用液相介質(zhì)對碳纖維表面進行氧化的方法。常用的液相介質(zhì)有濃硝酸、混合酸和強氧化劑等。

高性能塑料與工程第一部分：碳纖維表面處理2011.01.13液相氧化法：6趙東宇,李濱耀,余賦生.碳纖維表面的液相氧化處理改性[J]．應用化學，1997，(4)：11第6頁/共36頁

高性能塑料與工程第一部分：碳纖維表面處理2011.01.13

把碳纖維作為電解池的陽極、石墨作為陰極，在電解水的過程中利用陽極生成的氧，氧化碳纖維表面的碳及其含氧官能團，將其先氧化成羥基之后逐步氧化成酮基、羧基和CO2的過程。陽極氧化法：7夏麗剛,李愛菊,陰強,王威強;碳纖維表面處理及其對碳纖維/樹脂界面影響的研究;材料導報,2006(5)：254-257第7頁/共36頁

高性能塑料與工程第一部分：碳纖維表面處理

利用非聚合性氣體對材料表面進行物理和化學作用的過程。等離子體氧化法：8DilsizN,EbertE,WeisweilerW.Effectofplasmapolymerizationoncarbonfibersusedforfiber/epoxy．CompJColloidInterfSci，1995，170：241第8頁/共36頁

高性能塑料與工程第一部分：碳纖維表面處理2011.01.13

將某種聚合物涂覆在碳纖維表面，改變復合材料界面層的結(jié)構(gòu)與性能，使界面極性等相適應以提高界面粘結(jié)強度，同時提供一個可消除界面內(nèi)應力的可塑界面層。表面涂層改性法：9西北工業(yè)大學材料科學與工程學院曾金芳等采用活性涂層、剛性涂層和柔性涂層，分別對HTA—P30碳纖維進行表面處理活性涂層可顯著改善復合材料的剪切性能，而且涂層濃度對性能的影響非常敏感，當濃度為1％-2％時，剪切強度可以提高20％。結(jié)果曾金芳.喬生儒.丘哲明等.纖維表面處理對碳纖維復合材料剪切性能影響．固體火箭技術，2002，25(4)：45—49第9頁/共36頁

高性能塑料與工程第二部分：復合材料基本特點2011.01.13與鋼相比：EP/CF復合材料的比強度為鋼的4.8～7.2倍，比模量為鋼的3.1～4.2倍，疲勞強度約為鋼的2.5倍、鋁的3.3倍。而且高溫性能好，工作溫度達400℃時其強度與模量基本保持不變。此外還具有密度和線膨脹系數(shù)小、耐腐蝕、抗蠕變、整體性好、抗分層、抗沖擊等，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中，其比強度、比模量綜合指標最高。在加工成型過程中EP/CF復合材料具有易大面積整體成型、成型穩(wěn)定等獨特的優(yōu)點。EP/CF復合材料具有優(yōu)異的性能：10第10頁/共36頁常規(guī)的CF：表面平滑活性官能團少表面能低，呈現(xiàn)表面化學惰性，與EP基體浸潤性較差，復合材料界面黏合力較弱。

高性能塑料與工程第三部分：增強機理2011.01.1311EP/CF復合材料的增強機理：因此，需要對CF表面改性處理，提高其與基體樹脂的黏結(jié)性，進而提高復合材料的性能。其表面石墨層面邊緣較大面積氧化，邊緣活性點數(shù)量增加，致使凹凸不平的表面更有利于與EP基體的鍵合，使復合材料的剪切性能提高。同時，其表面能增加，顯著改善了CF與基體間的潤濕性，接觸角減小，表面呈現(xiàn)親液性。另外，經(jīng)過處理后，其表面出現(xiàn)了大量的羥基、羧基、醌類等官能團，提高了CF表面的極性、增強體與EP基體之間的潤濕性和它們的黏結(jié)程度。第11頁/共36頁

高性能塑料與工程第四部分：復合成型工藝2011.01.13手糊成型樹脂傳遞成型真空袋法成型樹脂膜熔浸成型預浸料成型拉擠成型12

EP/CF復合材料的復合成型工藝:第12頁/共36頁

高性能塑料與工程第四部分：復合成型工藝2011.01.1313手糊成型：孫酣經(jīng)．化工新型材料，1998(4)：42—44第13頁/共36頁

高性能塑料與工程第四部分：復合成型工藝2011.01.1314樹脂傳遞成型：馬青松，等．材料科學與工程，2000，18(4)：92—97第14頁/共36頁

高性能塑料與工程第四部分：復合成型工藝2011.01.1315真空袋法成型：李斌太，等．航空材料學報，2006，26(3)：222—22第15頁/共36頁

高性能塑料與工程第四部分：復合成型工藝2011.01.1316樹脂膜熔浸成型：陳立軍，等：環(huán)氧樹脂／碳纖維復合材料的成型工藝與應用，工程塑料應用，2007（35）：77-79第16頁/共36頁

高性能塑料與工程第四部分：復合成型工藝2011.01.1317預浸料成型：

預浸料高壓釜法示意圖張彥中．纖維復合材料，1997(1)：26—30第17頁/共36頁

高性能塑料與工程第四部分：復合成型工藝2011.01.1318拉擠成型：WingardCD．ThemlochimieaActa，2000，357／358：293—301第18頁/共36頁

高性能塑料與工程第五部分：界面結(jié)構(gòu)表征方法2011.01.1319EP/CF復合材料的界面結(jié)構(gòu)表征方法：電鏡分析掃描電子顯微鏡(SEM)透射電子顯微鏡(TEM)掃描隧道顯微鏡(STM)原子力顯微鏡(AFM)譜學分析離子散射譜(ISS)二次離子質(zhì)譜(SIMS)俄歇電子譜(AES)X射線光電子譜(XPS)盧瑟福背散射(RBS)紅外光譜(IR)紫外光譜(UV)第19頁/共36頁

高性能塑料與工程第六部分：復合材料的應用2011.01.1320EP／CF復合材料的應用：第20頁/共36頁Experimentalstudyofmechanicalandelectricalpropertiesofcarbonnanofiber/epoxycomposites碳納米纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的機械性能和電性能的實驗研究21

高性能塑料與工程文獻部分2011.01.13SmrutisikhaBal；Experimentalstudyofmechanicalandelectricalpropertiesofcarbonnanofiber/epoxycomposites；MaterialsandDesign31(2010)2406–2413第21頁/共36頁CNF(0.5wt.%,0.75wt.%and1wt.%）增強EP不同含量的碳納米纖維對環(huán)氧樹脂的增強效果將復合材料分別在室溫環(huán)境下固化（23℃）和在冷凍環(huán)境下固化（4℃）不同的固化方式對復合材料性能的影響22

高性能塑料與工程文獻部分2011.01.131.Purpose:第22頁/共36頁2.1.Materials環(huán)氧樹脂、固化劑、碳納米纖維(CNFs)2.2.Preparationofcomposites23

高性能塑料與工程文獻部分2011.01.132.Materialsandmethods第23頁/共36頁機械性能

彎曲性能

硬度電性能拉曼光譜電鏡透射電子顯微鏡（TEM）掃描電子顯微鏡

（SEM）24

高性能塑料與工程文獻部分2011.01.132.3.characterization第24頁/共36頁25

高性能塑料與工程文獻部分2011.01.133.Resultsanddiscussion3.1.Bendingexperiments第25頁/共36頁26

高性能塑料與工程文獻部分2011.01.133.2.Hardnessresults第26頁/共36頁27

高性能塑料與工程文獻部分2011.01.133.3.Electricalmeasurement第27頁/共36頁28

高性能塑料與工程文獻部分2011.01.133.4.RamanspectroscopyFig.8.Ramanspectraof(a)roomtemperatureand(b)Refrigeratednanocomposites.第28頁/共36頁29

高性能塑料與工程文獻部分2011.01.133.5.ElectronmicroscopicstudyFig.9.DispersionofCNFsinepoxymatrix(insidearrowsindicateagglomeration)in(a)C1.0and(b)RC1.0.第29頁/共36頁30

高性能塑料與工程文獻部分2011.01.13Fig.10.FracturesurfaceofCNF/epoxycompositesof(a)C1.0and(b)RC1.0.第30頁/共36頁31

高性能塑料與工程文獻部分2011.01.13Fig.11.(a)FracturesurfaceofepoxymatrixEand(b)InteractionbetweenmatrixandcarbonnanofiberinnanocompositeC1.0.第31頁/共36頁32

高性能塑料與工程文獻部分2011.01.13Fig.12.FracturesurfaceofC1.0sample(a)alongx-directionshowinghorizontalalignmentoffibers;(b)alongz-direction