纳米碳电泳沉积对碳纤维复合材料.doc

工业大学博士学位论文2学校代码10699分类号V261.97密级公开学号2011100429题目纳米碳电泳沉积对碳纤维复合材料界面性能的影响作者邓超学科、专业航空宇航制造工程指导教师吴建军申请学位日期2016年4月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：纳米碳电泳沉积对碳纤维复合材料界面性能的影响作者：邓超学科专业：航空宇航制造工程指导教师：吴建军2016年4月Title:EffectsofelectrophoreticallydepositedcarbonnanotubesandgrapheneoxidecoatingsoninterfacialpropertiesofcarbonfibercompositeByDengChaoUndertheSupervisionofProfessorWuJianjunADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofAeronautical&AstronauticalManufacturingEngineeringXi’anP.R.ChinaApril2016西北工业大学博士学位论文摘要VIV摘要碳纤维作为一种高性能纤维具有高比模量、高比强度等优异的力学性能具备耐热、耐酸碱等一系列优异性能是功能复合材料中的重要增强体。然而由于制造过程的原因生产的碳纤维原丝表面活性面积小活性碳原子数量较少纤维表面与树脂基体的浸润性能较差。同时由于碳纤维原丝表面化学活性低缺少极性官能团呈化学惰性很难与树脂基体产生良好的化学键合导致复合材料界面粘结强度较低严重影响到碳纤维复合材料优异性能的发挥限制了碳纤维在生活与生产中的应用。基于此有必要对碳纤维表面进行物理或化学改性增强碳纤维表面化学活性提高其浸润性能及其与树脂基体间的界面粘结强度进而提高碳纤维复合材料的综合性能。本文采用电泳沉积引发碳纳米管和氧化石墨烯沉积处理碳纤维并探讨了在电泳沉积中引入超声波和酸化预处理工艺对碳纳米管和氧化石墨烯沉积效果的影响。通过X射线光电子能谱仪（XPS）、傅里叶红外光谱仪（FTIR）、原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）和动态接触角测量（DCAA）等表征手段分析了纳米材料沉积改性前后碳纤维表面化学组成、化学官能团表面形貌、粗糙度以及表面自由能的变化采用层间剪切强度测试（ILSS）、吸湿率分析了复合材料的界面粘结性能和耐湿热性通过SEM观察复合材料的断面形貌并分析其断裂模式。论文采用超声辅助电泳沉积工艺将碳纳米管引入碳纤维复合材料体系内研究表明在电泳沉积过程中引入超声波能够显著提高碳纳米管沉积数量和质量碳纳米管能够在碳纤维表面形成网状膜结构显著提高碳纤维的表面粗糙度经化学修饰后的碳纳米管中的羟基和羧基等活性基团可以有效增加碳纤维表面化学活性增大纤维表面自由能提高碳纤维的浸润性。碳纳米管的沉积处理使得碳纤维增强复合材料的层间剪切强度提高了58.6%吸水率下降了61.3%有效的改善了复合材料界面结合性能。本文对碳纤维进行酸化预处理并用电泳沉积工艺将碳纳米管引入酸化修饰后的碳纤维表面。电泳沉积处理后碳纳米管与碳纤维以共价键的形式紧密结合在一起。XPS分析结果表明碳纳米管电泳沉积处理后碳纤维表面氧元素含量增加明显并出现大量C=O活性基团。改性后碳纤维的表面形貌变的更加复杂粗糙度明显增大表面自由能提升57%显著改善树脂基体与碳纤维的浸润性。CF/EP复合材料的层间剪切强度提高了60.2%耐湿热性能显著增加复合材料的破坏模式从界面破坏转变为树脂基体和碳纤维增强破坏。采用超声辅助电泳沉积工艺引发氧化石墨烯沉积对碳纤维表面进行了改性处理采用Hummers法制备了氧化石墨烯经分析表征得出氧化石墨烯呈半透明薄纱片层状结构厚度在1nm左右其表面含有大量羧基和羟基等活性官能。以氧化石墨烯的沉积率为评价标准选择最优化的工艺条件利用正交试验法分析评估各种工艺参数对氧化石墨烯沉积效果的影响。确定了电泳沉积工艺引发氧化石墨烯沉积工艺参数为沉积电压为15V沉积时间为25min；氧化石墨烯的沉积液的浓度为0.25mg/ml。结果表明在电泳沉积过程中引入超声波能够显著提高氧化石墨烯沉积效果氧化石墨烯涂层明显的增加了碳纤维表面粗糙度增大其表面自由能。复合材料的ILSS的增幅达到55%吸湿率显著降低。论文系统研究了酸化辅助电泳沉积工艺引发氧化石墨