碳纤维增强环氧树脂复合材料性与结构的研究

1.1.1 复合材料定义

复合材料，是指把两种以上宏观上不同的材料，合理地进行复合而制得的一种材料，目的是通过复合材料来提高单一材料所不能发挥的各种特性。

1.1.2 EP/CF复合材料的应用

环氧树脂（EP）/碳纤维（CF）复合材料具有比强度、比模量高，密度小，结构尺寸稳定，耐热、耐低温及材料性能可设计等优点，其既可以作为结构材料承载又可以作为功能材料发挥作用，已成为航空航天领域的首选材料。

1.2 双酚A型环氧树脂

1.2.1 双酚A型环氧树脂的定义

双酚A型环氧树脂是由环氧氯丙烷与双酚A（二酚基丙烷）在碱性催化剂作用下反应而生成的产物，

1.2.2 双酚A型环氧树脂的固化原理

在环氧树脂的结构中有羟基（〉CH—OH）、醚基（—O—）和极为活泼的环氧基存在，羟基和醚基有高度的极性，使环氧分子与相邻界面产生了较强的分子间作用力，而环氧基团则与介质表面（特别是金属表面）的游离键起反应，形成化学键。因而，环氧树脂具有很高的黏合力，用途很广，商业上被称作“万能胶“。此外，环氧树脂还可做涂料、浇铸、浸渍及模具等用途。但是，环氧树脂在未固化前是呈热塑性的线型结构，使用时必须加入固化剂，固化剂与环氧树脂的环氧基等反应，变成网状结构的大分子，成为不溶且不熔的热固性成品。环氧树脂在固化前相对分子质量都不高，只有通过固化才能形成体形高分子。环氧树脂的固化要借助固化剂，固化剂的种类很多，主要有多元胺和多元酸，他们的分子中都含有活波氢原子，其中用得最多的是液态多元胺类，如二亚乙基三胺和三乙胺等。环氧树脂在室温下固化时，还常常需要加些促进剂（如多元硫醇），已达到快速固化的效果。固化剂的选择与环氧树脂的固化温度有关，在通常温度下固化一般用多元胺和多元硫胺等，而在较高温度下固化一般选用酸酐和多元酸为固

化剂。不同的固化剂，其交联反应也不同。

1.2.3 双酚A型环氧树脂的结构

双酚A型环氧树脂的大分子结构具有的特征有：

1)大分子的两端是反应能力很强的环氧基；

2)分子主链上有许多醚键，是一种线型聚醚结构；

3)n值较大的树脂分子链上有规律地、相距较远地出现许多仲羟基，可以看成是一种长链多元醇；

4)主链上还有大量苯环、次甲基和异丙基。

1)环氧基和羟基赋予树脂反应性，使树脂固化物具有很强的内聚力和粘接力；

2)醚键和羟基是极性基团，有助于提高浸润性和粘附力；

3)醚键和C-C键使大分子具有柔顺性；

4)苯环赋予聚合物以耐热性和刚性；

5)异丙基也赋与大分子一定的刚性；

6)-C-O-键的键能高，从而提高了耐碱性。

1.3 环氧树脂固化剂

1.3.1 环氧树脂固化剂的定义

环氧树脂固化剂是与环氧树脂发生化学反应，形成网状立体聚合物，把复合材料骨材包络在网状体之中。使线型树脂变成坚韧的体型固体的添加剂。包括多种类型。

1.3.4 低分子聚酰胺树脂（型号650）

1.3.4.1 低分子聚酰胺树脂的性状

低分子量聚酰胺树脂是一种透明的棕色或褐色粘稠液体，易溶于丙酮、乙醇等有机溶剂，毒性极小。分子内含有较长的不饱和脂肪烃碳链和氨基、羧基、酰胺基等活性基团，可与环氧树脂分子产生交联而固化；脂肪烃碳链交联时能起内

增塑作用，极大地提高了固化物的抗冲强度，固化物收缩性小，具有较好的粘结强度，柔韧性、绝缘性和抗化学品性

1.4 碳纤维

1.4.1 碳纤维概述

碳纤维(Carbon Fibre，CF)是一种耐高温、抗拉强度高、弹性模量大、质轻的纤维状材料。它是由有机纤维通过一系列阶段性的热处理碳化而制成的。

碳纤维是将原料纤维在一定的张力、温度下,经过一定时间的预氧化、炭化和石墨化处理等过程制成的。炭化和石墨化都是在氮气中进行的，炭化反应是使非碳元素借分子间交链反应挥发出来。在热处理过程中，大量气体挥发后形成更多的石墨层状结构，强度增大，模量增加，导电性也提高。纤维先由白色变为黄色，继而呈棕黄色，最后变为黑色。

碳纤维属于过渡形式碳，其微结构基本类似石墨，但层面的排列并不规整，属于乱层结构。随着热处理温度的升高，碳纤维的结构逐步向多晶石墨转化。微晶是碳纤维微结构的基本单位。构成多晶结构的基元是六角形芳环的层晶格，石墨片层就是由层晶格组成的层平面。原纤以网状结构存在，它是由带状的石墨层片组成的微原纤构成的。原纤之间的界面方向错乱复杂，并且有长而窄的间隙存在。随着温度的升高，原纤沿纤维轴取向排列。温度越高，张力越大，择优取向角越小，模量越高。层间距也随温度的升高而减小，趋近石墨的层间距(d002=0.3354nm)。纤维由二维乱层石墨结构向三维有序的石墨结构转变。

目前各国工业用的碳纤维原料有聚丙烯腈纤维、粘胶丝和沥青纤维三种。聚丙烯腈基碳纤维性能好，炭化得率较高(50～60％)，因此以聚丙烯腈制造的碳纤维约占总碳纤维产量的95％。以粘胶丝为原料制碳纤维炭化得率只有20～30％，这种碳纤维碱金属含量低，特别适宜作烧蚀材料。以沥青纤维为原料时，炭化得率高达80～90％，成本最低，是正在发展的品种。

1.4.2 碳纤维的性能

碳纤维具有和碳类似的化学性质，在空中当达到400℃左右时会发生氧化反应生成CO2或者CO，但是当隔绝氧气后，使用温度可达到2000℃左右，并且温

度越高，纤维强度越大。这些特点使得碳纤维具有以下优良的特性：

①比重轻、密度小；超高强力与模量；纤维细而柔软；耐磨、耐疲劳、减振吸能等物理机械性能优异；

②耐酸碱和盐腐蚀，可形成多孔、表面活性、吸附性强的活性碳纤维；

③热膨胀系数小，导热率高，不出现蓄能和过热；高温下尺寸稳定性好，不燃；导电性、X射线透过性及电磁波遮蔽性良好；

④具有润滑性，在熔融金属中不沾熔，可使其复合材料磨损率降低；

⑤生物相容性好，生理适应性强。

根据其性质的不同又可将碳纤维分为碳纤维有高强型(HT)、通用型(GP)、高模型(HM)、高强高模型(HP)等多种规格

1.5 环氧树脂/碳纤维的增强机理

常规的碳纤维表面光滑，活性官能团少，表面能低，呈现表面化学惰性，与环氧树脂基体浸润性较差，复合材料界面粘合离较弱。因此，需要对碳纤维表面改性处理，提高其与基体树脂的粘结性，进而提高复合材料的性能。经过处理的纤维其表面石墨层面边缘较大面积氧化，边缘活性点数量增加，致使凹凸不平的表面更有利于与环氧树脂基体的键合，使复合材料的剪切性能提高。同时，其表面能增加，显著改善了碳纤维与基体间的浸润性，接触角减小，表面呈现亲液性。另外，碳纤维经过处理后，其表面出现了大量的羟基、羧基、醌类等官能团，提高了碳纤维表面的极性、增强体与环氧树脂基体之间的润湿性和它们的粘接程度。

1.6 选题的目的与研究意义

选题的目的：复合材料是基体材料和增强材料复合而成的多相体系固体材料，能够充分发挥各组分的特点和潜能；通过合理匹配及协同作用，可呈现出单一材料所不具备的优异性能。本文以环氧树脂为基体材料，碳纤维为增强材料，制得复合材料，在常温下对其力学性能进行研究。

研究意义：碳纤维作为增强材料经过表面处理能提高复合材料的力学性能。在农业、工业、交通、军事及社会生活等领域中得到广泛使用，尤其在航空、航天等一系列高端技术领域具有不可或缺的地位。