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炭纤维是一种碳含量超过90%的纤维状炭材料。它具有高比强度、高比模量、耐高温等一系列的优异性能,是一种良好的复合材料增强体,广泛应用于航空、航天、工业、建筑、体育等领域。但是炭纤维表面层是石墨化程度很高的炭层,除少数缺陷处,表面炭原子化学稳定性好,因此,树脂与炭纤维粘结比较差。炭纤维上浆是一种提高复合材料粘结的有效手段之一。另外,在纤维后加工处理工程中,纤维表面上浆剂也可有效保护纤维免受损伤。
上浆剂选择应根据所制复合材料的树脂的种类以及复合材料的使用环境。由于复合材料应用范围极广,上浆剂又是一种成分复杂的高分子溶液,上浆剂的种类也趋于繁杂。国外炭纤维表层上浆剂成分是各公司的商业秘密,部分产品使用的是通用型的上浆剂。国内炭纤维发展滞后,与国外相比,上浆剂的性能有较大差距。
为配合国产高性能炭纤维发展,本课题研究通用型环氧上浆剂对国产炭纤维性能的影响,主要研究上浆工艺及上浆剂对复合材料粘结性能影响,分析上浆剂增强复合材料的机理。并得到如下结论:
(1)炭纤维上浆量与上浆剂的浓度有密切关系,增加上浆液浓度,炭纤维表面上浆量会增加。
(2)上浆可以保护提高炭纤维的加工处理性能,一般炭纤维上浆量增加,炭纤维强度略有增加,并且炭纤维集束性增加,因此,炭纤维毛丝量会减少,炭纤维的耐磨性会增加,同时炭纤维的直挺度会上升。但是上浆到一定程度时,炭纤维毛丝量和耐磨性变化会不明显。
(3)经过电化学阳极氧化处理未上浆炭纤维表面存在各种缺陷,有很多沿纤维方向的沟槽,表面粗糙度很大,并且炭纤维表面含有氧活性团官能。上浆剂可以有效填充炭纤维表面缺陷,炭纤维上浆量的增加,炭纤维表面粗糙度会减小。增加氧元素和含氧官能团的比例,特别是增加-COH和-COOH,同时上浆后炭纤维表面极性自由能增加,上浆剂还能有效地的改善炭纤维与树脂的亲和性。
(4)复合材料成型过程中,上浆剂与环氧树脂相互扩散,促进复合材料界面分子原子间结合,因此炭纤维上浆可以提高复合材料的ILSS值。但是如果上浆量过大,或上浆时温度过高,复合材料ILSS值会减小。经过湿热试验的复合材料的ILLS会减小,并且上浆量大的炭纤维所制复合材料的ILSS减小较多。
(5)上浆炭纤维所制的复合材料断面中纤维拔出少,并经AFM观察发现,上浆剂与树脂融合好,说明粘结较好。上浆温度高和湿热处理后的复合材料,断面有较多拔出纤维,且纤维与树脂间存在明显间隙,复合材料粘结差。