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PAGE\*MERGEFORMAT2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PAGE\*MERGEFORMATVIPAGE\*MERGEFORMATV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