表面处理对碳纤织物增强环氧树脂复合材料界面及性能的影响研究论.docx

表面处理对碳纤织物增强环氧树脂复合材料界面及性能的影响研究论表面处理对碳纤织物增强环氧树脂复合材料界面及性能的影响研究论金属背衬型聚合物自润滑复合材料因具有减摩、耐磨等优点，在机械设备、船舶等重载摩擦副上得到了广泛应用。碳纤织物增强环氧树脂基自润滑复合材料作为衬层型重载摩擦副用材料，以其优异的力学性能和摩擦学性能、良好的自粘接性以及成型工艺简单等特性已成为当前国内外研究的热点之一。在纤维增强树脂基复合材料中，主要承载组元为纤维，树脂基体将纤维粘接固定并将载荷传递到每根纤维，因此复合材料的界面特性对其力学性能有着重大影响。但是，由于碳纤维表面缺少活性基团呈化学惰性，且其表面光滑，导致碳纤织物与基体浸润性差，不能与基体进行有效结合。因此，要获得力学性能优良的碳纤织物增强复合材料，必须对其进行表面处理，改善其表面浸润性、粗糙程度，产生适合于聚合物粘接的表面形态，从而提高碳纤织物增强复合材料的力学性能。目前，提高碳纤织物增强复合材料界面性能主要从以下两方面着手:一是增加纤维表面活性官能团，二是增大纤维表面粗糙度。在对碳纤织物进行表面处理时，以上2个因素往往同时出现并对碳纤织物增强复合材料的界面性能的改善起协同作用。为了探索提高碳纤织物增强环氧树脂复合材料的力学性能，寻求简单有效的碳纤织物表面处理工艺，在已有研究和前期大量实验基础上，本文研究比较了空气氧化处理、浓硝酸氧化处理、偶联剂涂覆处理、气液双效处理和液相双效处理等表面处理方法对碳纤织物表面及复合材料界面和性能的影响，以此来探索一种工艺简单、环境友好且可显著提高复合材料性能的碳纤织物表面处理工艺。1.实验部分1.1实验材料碳纤织物(1K/T300):日本东丽;环氧树脂E51(环氧值0.53):巴陵石化公司;环氧丙烷丁基醚(501):纯度大于等于99.5%，广州江盛华工科技有限公司;邻苯二甲酸二丁酯:纯度大于99.0%，天津市富宇精细华工有限公司;105缩胺环氧固化剂(缩胺105):苏州光福材料厂;偶联剂Y-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560):东莞市信康有机硅材料有限公司。1.2实验过程碳纤织物在使用前，首先在丙酮溶液中浸泡48h，再放入恒温真空干燥箱中100℃干燥3h，以除去其表面的预浸胶料、污染物等，记为未处理碳纤织物;然后分别采用空气氧化(450℃/45min)、浓硝酸氧化(95℃/90min)、偶联剂涂覆(3%KH560/10min)、气液双效处理(空气氧化450℃/45min+偶联剂涂覆3%KH560/10min)、液相双效处理(浓硝酸95℃/90min+偶联剂涂覆3%KH560/10min)对碳纤织物进行表面处理。检测分析试样采用手糊模压法制备，将配制好的环氧树脂胶体通过手糊法涂覆于碳纤织物表面，然后放置于采用螺栓加压固定的模具中，在真空度为-100kPa的真空箱中常温固化24h，获得表面平整、无气泡、裂纹、分层等缺陷的试样。1.3测试与表征利用日本日立S-3400N型扫描电子显微镜进行断口形貌与碳纤织物表面形貌分析;采用美国安捷伦5100原子力显微镜对碳纤织物进行表面形貌分析并计算其表面粗糙度;采用德国Elementar公司VarioELIII型元素分析仪对碳纤进行元素分析，分析处理前后碳纤织物中C，O，N元素变化;采用美国Nicolet6700傅里叶红外光谱仪对处理前后碳纤表面进行分析;复合材料力学性能测试在WDW3005电液伺服万能实验机上进行，各测试试样按照国家相关标准制备;根据GB/T3855-2005《碳纤维增强塑料树脂含量试验方法》，采用称量法进行复合材料含胶量测试，称量精确至0.1mg。力学性能与含胶量实验过程中每个实验重复3个试样，结果取平均值。2.结果与讨论2.1碳纤表面形貌未经表面处理和分别经过空气氧化、浓硝酸氧化、偶联剂涂覆、气液双效和液相双效处理后的碳纤表面形貌图。从Fig.1中可以看出，对市场上购买的经丙酮清洗并烘干后的碳纤织物，即实验中未处理的碳纤，其表面光滑平整，仅有轻微的纵向沟槽，根据原子力显微镜检测、计算结果，其表面粗糙度平均为12.8nm;采用空气氧化处理后，碳纤被氧化，出现剥落、凸起现象，且表面纵向沟槽加宽加深，同时附着有少量颗粒物，其表面粗糙度平均为52.5nm;浓硝酸氧化处理后，纤维表面呈现明显的沟槽状刻蚀，并伴随有颗粒状附着物，其表面粗糙度平均为39.5nm;采用偶联剂涂覆处理的碳纤，在纤维表面形成一层比较均匀的偶联剂覆盖层，同时纤维本身基本未受到损伤;而对于采用气液双效和液相双效处理的碳纤，由于碳纤在氧化处理过程中，在表面形成了较深的刻蚀，表面粗糙度增加，从而与偶联剂之间的粘着性增强，所以在又经偶联剂处理后，表面偶联剂粘附明显增加。这表明，与未处理碳纤相比，氧化处理可增加碳纤维表面粗糙度，能增大碳纤与基体之间的接触