實(shí)驗(yàn)中選用PAN基碳纖維和雙酚A型環(huán)氧樹脂作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體和樹脂基體，采用氨水處理方法對碳纖維表面進(jìn)行改性。考察在24h、48h、72h、96h、120h不同處理時間下，對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能的影響進(jìn)行了研究。

    3.2結(jié)果與討論

    界面結(jié)合強(qiáng)度（IFSS）是評價增強(qiáng)纖維與樹脂基體界面粘結(jié)好壞的一個重要性能。我采用單絲拔出實(shí)驗(yàn)的方法得到碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，并研究了表面粗糙度對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面粘結(jié)性能的影響。圖3-1為A-CF/EP復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度。

    由圖3-1可見，A-CF/EP復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度均高于CF/EP復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，處理時間分別為24h、48h、72h、96h時，界面結(jié)合強(qiáng)度分別提高了2.4%、5.2%、30.3%和31.9%，處理時間為120h時，復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度提高幅度最大，提高了55.0%。這是因?yàn)榘彼幚硖祭w維的刻蝕作用在其表面上形成了分子尺寸的刻蝕坑，大大提高了碳纖維表面的粗糙度和增大了其比表面積。當(dāng)碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合時，環(huán)氧樹脂填充到碳纖維表面的刻蝕孔洞，冷卻后碳纖維與環(huán)氧樹脂之間就生成了凹凸不平、犬牙交錯的界面，從而產(chǎn)生良好的機(jī)械錨定效應(yīng)，使得復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度得到增大。雖然長時間處理使纖維的單絲拉伸強(qiáng)度有所下降，但是復(fù)合材料界面粘結(jié)的增強(qiáng)有利于外界應(yīng)力在纖維和樹脂基體之間的傳遞，所以處理后A-CF/EP復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度仍然提高了。

   
    圖3-1 A-CF/EP復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度

    3.3濃HNO3改性碳纖維及其增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能研究實(shí)驗(yàn)部分

    研究了纖維表面粗糙度的增大和纖維表面極性官能團(tuán)的增多這兩個因素同時存在時，如何共同對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的提高起作用，還探討了這兩個因素之間的關(guān)系以及哪一個因素對復(fù)合材料界面性能的提高起主導(dǎo)作用。實(shí)驗(yàn)中選用PAN基碳纖維和雙酚A型環(huán)氧樹脂作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體和樹脂基體，采用濃HNO3處理方法對碳纖維表面進(jìn)行改性。考察在10min、20min、30min、60min、90min、4h、10h不同處理時間下，對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能的影響因素進(jìn)行了研究。

 

    3.4 結(jié)果與討論

    圖3-2為濃HNO3處理時間對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度的影響。從圖中可以看出，隨著濃HNO3處理時間的增加，復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在處理時間為90min時達(dá)到最大值44.5MPa，與CF相比增加了77.2%。

    隨濃HNO3時間增加，復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在處理時間為90min時達(dá)到最大值44.5MPa，與CF相比增加了77.2%。纖維表面粗糙程度變化不大時，表面含氧活性官能團(tuán)的數(shù)量迅速增加，已經(jīng)可以與樹脂基體在界面形成很強(qiáng)的化學(xué)粘結(jié)，但是在濃HNO3下處理10min和20min時的復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度與未處理的相比，增加幅度并不大，分別為2.4%和4.8%，這說明在濃HNO3處理碳纖維時起到的物化雙效作用中，機(jī)械錨定作用對復(fù)合材料的界面粘結(jié)起主導(dǎo)作用。
 

 
    圖3-2 N-CF/EP復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度

    4、結(jié)論

    本文分別采用氨水和濃HNO3對碳纖維進(jìn)行了兩種不同性質(zhì)的表面處理，研究了兩種處理方法對碳纖維表面特性對其增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的影響，得出以下結(jié)論：

    1） 氨水處理以刻蝕作用為主，能使碳纖維表面粗糙度有不同程度的增加，但表面化學(xué)活性不受影響。

    2） 濃HNO3處理起物化雙效的作用，可以同時增加碳纖維表面粗糙度和表面活性掛能團(tuán)的數(shù)量。

    3） 長時間氨水處理可以使碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面形成更好地機(jī)械錨定作用，在氨水處理120h時復(fù)合材料有最好的界面結(jié)合強(qiáng)度；濃HNO3處理使纖維相和樹脂相二者間的化學(xué)鍵合和機(jī)械錨定兩種界面作用力得到增強(qiáng)，這時機(jī)械錨定作用對復(fù)合材料的界面粘結(jié)起主導(dǎo)作用，處理90min時復(fù)合材料的界面結(jié)合最佳，界面結(jié)合強(qiáng)度為44.5MPa；雖然A-CF120的表面粗糙程度高于N-CF90，但其復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度低，說明雖然EP分子嵌入碳纖維表面的空隙形成機(jī)械粘結(jié)有利于增加復(fù)合材料的粘結(jié)強(qiáng)度，但機(jī)械的嵌合缺乏足夠的柔性，在承受載荷時容易發(fā)生脆斷。 

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