碳纤维表面多尺度组元构筑及其复合材料界面性能研究

碳纤维表面多尺度组元构筑及其复合材料界面性能研究

碳纤维虽然具有优异的性能如高比强、高比刚、质轻、导电和热等,但碳纤维增复合材料存在以下几个问题:碳纤维增强体与基体之间的界面结合力弱、改性效率低以及改性损伤纤维本体强度等。本文以满足不同工程的两种需要为目标:一、在提高复合材料界面强度的同时,大幅提高碳纤维的拉伸强度。

采用高效的电化学沉积、超声辅助电泳沉积法,将银纳米粒子(Ag NPs)和氧化石墨烯(GO)沉积到碳纤维的表面。二、在不损伤碳纤维本体的前提下,最大程度地提高碳纤维复合材料的界面强度。

采用化学接枝法将聚醚胺(D400)和氧化石墨烯(GO)接枝到碳纤维的表面。采用电化学沉积法,以聚乙烯比咯烷酮(PVP)为表面活性剂,在碳纤维表面沉积形貌可控的Ag NPs。

通过控制PVP与银离子(Ag+)的摩尔比(mPVP:mAgNO3),使Ag NPs呈现出“颗粒状”或“树枝状”。通过调节电化学沉积时间、Ag+浓度来控制碳纤维表面银含量、Ag NPs的粒径以及碳纤维表面粗糙度。

沉积Ag NPs后碳纤维展示了优异的力学性能,与未处理碳纤维相比,沉积Ag NPs后碳纤维的单丝拉伸强度和其复合材料的界面剪切强度(IFSS)分别提高了29.2%和57.2%,电导率也提升两倍。引入超声辅助电泳沉积法,以异丙醇为电泳液溶剂,在碳纤维表面沉积GO。

这种新方法与传统电泳沉积方法相比,沉积的GO更均匀、致密。高温处理使碳纤维表面的GO被部分还原,GO与碳纤维的作用方式从离子键作用过渡到共价键作用。

碳纤维的单丝拉伸强度和IFSS值分别提升了27.3%和69.9%。设计并制备的

CF/Ag NPs/GO多尺度增强体,集Ag NPs和GO两者的优点于一体,碳纤维单丝拉

伸强度和IFSS值分别提高31.3%和75.4%。

采用化学接枝法,以水为溶液,在酸化碳纤维表面接枝D400。将带有氨基的

D400以化学键的方式连接到碳纤维表面,提高了碳纤维的表面能,改善了碳纤维

与聚合物基体的浸润性。

同时D400还参与环氧树脂固化反应,结果显示碳纤维复合材料的IFSS值提升72.6%。以D400为媒介,采用化学接枝法制备CF/D400/GO多尺度增强体,并关注接枝的GO尺寸对碳纤维表面形貌及性能的影响。

通过调节GO片层的尺寸和活性官能团的数量来控制GO与碳纤维的连接状态。碳纤维与GO具有两种连接方式:(1)GO边缘与碳纤维表面连接,呈“直立”

状;(2)GO平铺在碳纤维表面,呈“倒伏”状。

其中,GO“直立”在碳纤维的表面更有利于提高碳纤维与树脂基体间的机械啮合力和浸润性,可以更好地传递载荷和吸收破坏能,使IFSS提高了82.1%。