芳纶纤维复合材料界面增强的两级实现机制研究

芳纶纤维复合材料界面增强的两级实现机制研究芳纶纤维界面性能一直是困扰复合材料领域的难点,目前界面增强的主要途径是通过芳纶纤维表面改性,其中物理改性法对纤维损伤较大,而化学改性法对
界面改性的效果有限。

为此本文提出了芳纶纤维复合材料界面性能提高的两级增强新方法,以水性上浆剂对芳纶纤维表面改性,制备改性芳纶纤维F12-modified,实现一级界面性能提高,以高粘结环氧树脂(Efficient Adhesive Epoxy,简称EAEP)基体,实现二级界面性能提高,建立了芳纶纤维复合材料的柔性界面层增强机理。

1、通过制备水性上浆剂,芳纶纤维浸渍改性后,与环氧树脂复合制备了第一级界面增强的芳纶纤维复合材料。

采用红外光谱与核磁共振波谱确认上浆剂分子结构,纤维表面处理后,F12-modified的粗糙度增加且表面化学活性与极性改善。

与未改性芳纶纤维复合材料相比,横向纤维束拉伸强度(TFBT)与层间剪切强度(ILSS)分别提高了 59.1%与21.6%,复合材料界面粘结强度显著增强。

2、以二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)与双酚A环氧树脂(DGEBA)设计了高粘结环氧树脂(EAEP),制备了预浸料用树脂体系及二级界面增强的芳纶纤维复合材料,研究了
树脂体系的力学性能、微观形貌及复合材料层间剪切强度与界面力学性能。

树脂基体的断裂韧性KIC与冲击强度分别提高了 126%和60%,与芳纶纤维
F12-modified复合后,二级界面增强芳纶纤维复合材料的TFBT与ILSS进一步提升到了 34.6MPa与52.5MPa,分别提高了 26.3%和 14.5%。

3、以F12-modified
与EAEP复合,制备单丝芳纶纤维复合材料,并研究了复合材料的界面相微观结构与界面力学性能。

原子力显微镜力调制模式(f-AFM)对芳纶纤维界面层的观察显示纤维改性后
在界面处引入了厚度为1μm左右的柔性界面层,与未改性复合材料相比,界面剪切强度(ILSS)提高了 23.7%,芳纶纤维与树脂基体的结合强度提升,拉曼光谱测试发现,柔性界面层引入能够有效松弛复合材料界面应力,芳纶纤维复合材料界面性能得到改善。