表面處理對碳纖織物增強環氧樹脂複合材料介面及效能影響研究論文

　　表面處理是在基體材料表面上人工形成一層與基體的機械、物理和化學效能不同的表層的工藝方法。表面處理的目的是滿足產品的耐蝕性、耐磨性、裝飾或其他特種功能要求。 對於金屬鑄件，我們比較常用的表面處理方法是，機械打磨，化學處理，表面熱處理，噴塗表面，表面處理就是對工件表面進行清潔、清掃、去毛刺、去油汙、去氧化皮等。以下是小編為大家精心準備的：表面處理對碳纖織物增強環氧樹脂複合材料介面及效能影響研究相關論文。內容僅供參考，歡迎閱讀!

　　表面處理對碳纖織物增強環氧樹脂複合材料介面及效能影響研究全文如下：

　　金屬背襯型聚合物自潤滑複合材料因具有減摩、耐磨等優點，在機械裝置、船舶等過載摩擦副上得到了廣泛應用。碳纖織物增強環氧樹脂基自潤滑複合材料作為襯層型過載摩擦副用材料，以其優異的力學效能和摩擦學效能、良好的自粘接性以及成型工藝簡單等特性已成為當前國內外研究的熱點之一。在纖維增強樹脂基複合材料中，主要承載組元為纖維，樹脂基體將纖維粘接固定並將載荷傳遞到每根纖維，因此複合材料的介面特性對其力學效能有著重大影響。但是，由於碳纖維表面缺少活性基團呈化學惰性，且其表面光滑，導致碳纖織物與基體浸潤性差，不能與基體進行有效結合。因此，要獲得力學效能優良的碳纖織物增強複合材料，必須對其進行表面處理，改善其表面浸潤性、粗糙程度，產生適合於聚合物粘接的表面形態，從而提高碳纖織物增強複合材料的力學效能。

　　目前，提高碳纖織物增強複合材料介面效能主要從以下兩方面著手: 一是增加纖維表面活性官能團，二是增大纖維表面粗糙度。在對碳纖織物進行表面處理時，以上2 個因素往往同時出現並對碳纖織物增強複合材料的介面效能的改善起協同作用。為了探索提高碳纖織物增強環氧樹脂複合材料的力學效能，尋求簡單有效的碳纖織物表面處理工藝，在已有研究和前期大量實驗基礎上，本文研究比較了空氣氧化處理、濃硝酸氧化處理、偶聯劑塗覆處理、氣液雙效處理和液相雙效處理等表面處理方法對碳纖織物表面及複合材料介面和效能的影響，以此來探索一種工藝簡單、環境友好且可顯著提高複合材料效能的碳纖織物表面處理工藝。

　　1 實驗部分

　　1. 1 實驗材料

　　碳纖織物 1K/T300 : 日本東麗; 環氧樹脂E51 環氧值0. 53 : 巴陵石化公司; 環氧丙烷丁基醚 501 : 純度大於等於99. 5%，廣州江盛華工科技有限公司; 鄰苯二甲酸二丁酯: 純度大於99. 0%，天津市富宇精細華工有限公司; 105 縮胺環氧固化劑 縮胺105 : 蘇州光福材料廠; 偶聯劑Y-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基矽烷 KH-560 : 東莞市信康有機矽材料有限公司。

　　1. 2 實驗過程

　　碳纖織物在使用前，首先在丙酮溶液中浸泡48 h，再放入恆溫真空乾燥箱中100 ℃乾燥3 h，以除去其表面的預浸膠料、汙染物等，記為未處理碳纖織物; 然後分別採用空氣氧化 450 ℃ /45min 、濃硝酸氧化 95℃ /90min 、偶聯劑塗覆 3% KH560 /10min 、氣液雙效處理 空氣氧化450 ℃ /45min + 偶聯劑塗覆3%KH560 /10min 、液相雙效處理 濃硝酸95 ℃ /90min +偶聯劑塗覆3% KH560 /10min 對碳纖織物進行表面處理。

　　檢測分析試樣採用手糊模壓法制備，將配製好的環氧樹脂膠體通過手糊法塗覆於碳纖織物表面，然後放置於採用螺栓加壓固定的模具中，在真空度為- 100kPa 的真空箱中常溫固化24 h，獲得表面平整、無氣泡、裂紋、分層等缺陷的試樣。

　　1. 3 測試與表徵

　　利用日本日立S-3400N 型掃描電子顯微鏡進行斷口形貌與碳纖織物表面形貌分析; 採用美國安捷倫5100 原子力顯微鏡對碳纖織物進行表面形貌分析並計算其表面粗糙度; 採用德國Elementar 公司VarioELIII型元素分析儀對碳纖進行元素分析，分析處理前後碳纖織物中C，O，N 元素變化; 採用美國Nicolet6700傅立葉紅外光譜儀對處理前後碳纖表面進行分析; 複合材料力學效能測試在WDW3005 電液伺服萬能實驗機上進行，各測試試樣按照國家相關標準制備; 根據GB /T 3855 - 2005《碳纖維增強塑料樹脂含量試驗方法》，採用稱量法進行復合材料含膠量測試，稱量精確至0. 1 mg。力學效能與含膠量實驗過程中每個實驗重複3 個試樣，結果取平均值。

　　2 結果與討論

　　2. 1 碳纖表面形貌

　　未經表面處理和分別經過空氣氧化、濃硝酸氧化、偶聯劑塗覆、氣液雙效和液相雙效處理後的碳纖表面形貌圖。從Fig. 1 中可以看出，對市場上購買的經丙酮清洗並烘乾後的碳纖織物，即實驗中未處理的碳纖，其表面光滑平整，僅有輕微的縱向溝槽，根據原子力顯微鏡檢測、計算結果，其表面粗糙度平均為12. 8 nm; 採用空氣氧化處理後，碳纖被氧化，出現剝落、凸起現象，且表面縱向溝槽加寬加深，同時附著有少量顆粒物，其表面粗糙度平均為52. 5 nm; 濃硝酸氧化處理後，纖維表面呈現明顯的溝槽狀刻蝕，並伴隨有顆粒狀附著物，其表面粗糙度平均為39. 5 nm; 採用偶聯劑塗覆處理的碳纖，在纖維表面形成一層比較均勻的偶聯劑覆蓋層，同時纖維本身基本未受到損傷; 而對於採用氣液雙效和液相雙效處理的碳纖，由於碳纖在氧化處理過程中，在表面形成了較深的刻蝕，表面粗糙度增加，從而與偶聯劑之間的粘著性增強，所以在又經偶聯劑處理後，表面偶聯劑粘附明顯增加。

　　這表明，與未處理碳纖相比，氧化處理可增加碳纖維表面粗糙度，能增大碳纖與基體之間的接觸面積，從而有效提高纖維與基體之間的粘接效能; 偶聯劑處理後，在碳纖表面形成一層偶聯劑粘附層，使碳纖表面活性增加，也可以增加碳纖與基體之間的粘著力。但氧化處理會對碳纖產生一定的刻蝕，從而會對碳纖本身力學效能產生不利影響，可能會降低複合材料的效能，因此，在選擇碳纖表面處理方法時需綜合其對複合材料效能的影響。

　　同時，由於採用偶聯劑處理，在碳纖表面形成的偶聯劑塗覆層會影響表面粗糙度的測量，因此，實驗中未對偶聯劑處理的碳纖進行表面粗糙度測量。

　　2. 2 複合材料含膠量

　　在纖維增強複合材料中，膠體含量的多少對材料的效能有著重要影響，也是材料製備工藝控制的目標之一。相同製備工藝條件下，未處理和經不同表面處理後碳纖織物增強環氧樹脂基複合材料膠體含量。所製備的碳纖織物增強環氧樹脂複合材料含膠量為30% 左右，其中碳纖織物未處理的複合材料含膠量最高，為33. 7%; 而經不同表面處理後的複合材料，含膠量略低，其中液相雙效處理含膠量最低為29. 9%，較未處理的降低了11. 3%。這可能是因為，未處理的碳纖織物與膠體之間浸潤性較差，膠體易於聚集，在模壓成型過程中難以流動，從而導致含膠量較高; 而經表面處理後，膠體與碳纖織物之間的浸潤性得到改善，膠體易於均勻填充、分佈於碳纖織物之間，從而在加壓過程中易於流出，所以膠體含量略低。這同時也說明，實驗中所採用的複合材料材料製備工藝在膠體控制方面，具有較好的一致性和可重複性，從而也基本消除了含膠量對不同碳纖織物表面處理方法複合材料力學效能的影響。

　　2. 3 複合材料力學效能

　　未經表面處理和分別經過不同表面處理方法處理後的碳纖織物增強環氧樹脂複合材料層間剪下強度。對於未經表面處理的碳纖織物，所製備複合材料層間剪下強度平均僅為21. 5 MPa; 經表面處理後，其層間剪下強度均得到顯著提高，其中空氣氧化處理提高幅度最低，平均為33. 1MPa; 偶聯劑塗覆處理平均為43. 2 MPa; 採用氣液雙效處理的層間剪下強度最高，平均達44. 3 MPa，與未經表面處理的碳纖織物相比，提高1 倍多。這表明，對碳纖織物進行表面處理，無論是採用增加纖維表面活性官能團的偶聯劑塗覆和雙效處理，還是採用增加纖維表面粗糙度的氧化法，均可有效提高複合材料層間剪下強度。

　　這是因為對於纖維增強環氧樹脂複合材料，層間剪下強度主要取決於基體和介面的效能，其剪下破壞主要是由基體剪下破壞、纖維斷裂和複合介面脫粘引起，因此，在基體材料一定的情況下，纖維及纖維與基體之間的結合介面就對複合材料層間剪下強度產生重要影響。雖然實驗中對碳纖織物進行表面處理後，纖維本身會受到損傷尤其是氧化法，導致纖維強度降低，但表面處理的複合材料層間剪下強度均得到明顯提高，這也表明表面處理對碳纖織物增強環氧樹脂複合材料層間剪下強度的重要有利作用。

　　同時，經表面處理的碳纖織物複合材料層間剪下強度值離散性小於未處理的，這表明表面處理後複合材料效能更加均勻一致，可能是因為表面處理增強了碳纖織物與聚合物之間的浸潤性與粘接均勻性，這對提高複合材料效能均勻性和可靠性十分有利。

　　為了進一步研究不同碳纖織物表面處理方法對複合材料力學效能的影響， 給出了未經表面處理和分別經過上述不同方法表面處理後的碳纖織物增強環氧樹脂複合材料的彎曲、拉伸、壓縮強度和衝擊韌性。從中可以看出，與未處理碳纖織物相比，經不同方法處理後，複合材料的彎曲強度、壓縮強度和衝擊韌性均有明顯提高，尤其是彎曲強度得到大幅度提高，其中採用偶聯劑處理的，其彎曲強度為1088. 9MPa，較未處理的533. 6 MPa 提高104. 1%。而拉伸強度，採用偶聯劑處理的試樣達538. 1 MPa，與未經處理的413. 9 MPa 相比，提高30. 3%; 而經其它方法處理後的試樣，則有所降低或提高不大。

　　由此可知，與採用未經處理的碳纖織物製備的複合材料相比，經表面處理後的碳纖織物複合材料，其效能可得到有效提高; 綜合考慮各項效能指標，以偶聯劑處理效果最佳。這主要是因為偶聯劑作為一種改善纖維表面活性官能團的處理方法，一方面能增大纖維表面活性，提高纖維與樹脂基體之間的粘接性，另一方面，偶聯劑處理不會對纖維表面產生破壞，從而不降低纖維本身力學效能。經氧化處理後，碳纖維中C 含量由未經處理的90. 9% 質量分數 降低為空氣氧化處理的90. 7% 和硝酸氧化處理的86. 0%，而O含量由未經處理的1. 3% 分別增加至1. 5% 和8. 4%，N含量則由7. 8% 分別變化至7. 7% 和5. 6%。這表明經過空氣氧化和硝酸氧化處理後，碳纖表面O，N 元素與C 元素比例得到明顯提高，即含氧官能團和含氮官能團得到了有效增加。所以雙效處理後，偶聯劑與碳纖表面含氧官能團和含氮官能團進行化學作用，同時偶聯劑的環氧端基擴散到聚合物基體中形成化學鍵，從而使其一些效能指標得到進一步提高。但是由於氧化處理會不同程度的損傷碳纖，從而影響碳纖織物增強複合材料力學效能，這也是空氣氧化、硝酸氧化以及氣液雙效和液相雙效處理後複合材料一些效能指標低於單獨偶聯劑處理的原因。

　　為了進一步探索偶聯劑塗覆處理對碳纖表面的影響，Fig. 4 給出了未經表面處理和經偶聯劑塗覆處理後，碳纖表面傅立葉紅外光譜分析結果。從圖中可以看出，經偶聯劑塗覆處理後，在3440 cm - 1 和1645cm - 1處結合峰顯著加寬，同時在2360 cm - 1 處結合峰顯著增強，這表明處理後的碳纖表面活性官能團顯著增加，從而有利於增強碳纖與環氧樹脂基體的粘接性，進而使複合材料的力學效能得到有效改善。

　　2. 4 斷口分析

　　由以上實驗結果可知，實驗條件下，碳纖織物採用偶聯劑塗覆表面處理，對複合材料效能提高最大。為了進一步分析表面處理對複合材料效能影響的機理，分別對未處理和偶聯劑塗覆處理碳纖層間剪下強度測試單絲表面形貌進行了分析。未處理的碳纖表面光滑，層間剪下破壞後，碳纖表面僅有少量聚合物粘附物; 而偶聯劑塗覆處理的碳纖表面則粘附有大量的聚合物。這表明表面處理後，碳纖與聚合物之間粘接性大大提高，從而使其層間剪下強度得到有效提高。這是因為，當碳纖織物增強環氧樹脂複合材料受到外力作用時，聚合物作為傳力組元，若聚合物與碳纖之間不能良好的粘接，則難以使其負荷得到有效傳遞，從而易於產生應力集中，導致其內部裂紋快速擴充套件，效能大大降低。

　　碳纖織物未處理和偶聯劑塗覆處理後複合材料壓縮斷口掃描形貌。從可以看出，碳纖織物未處理的複合材料壓縮斷口碳纖分佈散亂且長短不一，同時聚合物分佈不均，存在明顯的聚集; 經偶聯劑塗覆處理的複合材料壓縮斷口平整光滑，聚合物分佈比較均勻，每根碳纖周圍較均勻地被聚合物包覆且結合良好。這表明偶聯劑塗覆處理可有效增加碳纖織物與聚合物之間的粘附性，也有利於碳纖織物與聚合物之間良好浸潤，使其組織更加均勻，從而其力學效能得到有效提高。

　　綜上所述，碳纖織物表面處理可有效提高複合材料的力學效能。空氣氧化法和硝酸氧化法以及由二者與偶聯劑塗覆結合的雙效處理法，雖然可使複合材料一些效能指標得到提高，但在氧化過程中，會使碳纖受到損傷，從而對複合材料一些效能產生不利影響; 而偶聯劑塗覆處理作為一種增加碳纖表面活性官能團的處理方法，既不降低碳纖力學效能又可提高碳纖與聚合物之間的粘接強度，綜合考慮其對複合材料各項效能指標的影響，實驗條件下，偶聯劑塗覆處理是一種比較理想的碳纖織物表面處理方法，同時還具有工藝簡單易行的優點。

　　3 結論

　　 1 未處理的碳纖表面光滑平整，其表面粗糙度平均為12. 8 nm，經氧化法處理碳纖表面被明顯刻蝕，表面粗糙度增加; 偶聯劑處理的碳纖在其表面形成一層均勻的偶聯劑覆蓋層。

　　 2 與未處理的碳纖織物相比，氣液雙效處理表面處理後碳纖織物增強環氧樹脂複合材料層間剪下強度得到明顯提高，由未處理的21. 5 MPa 增大到44. 3MPa。

　　 3 經偶聯劑塗覆處理的碳纖織物，其複合材料具有較佳的綜合力學效能，其彎曲強度為1088. 9MPa，拉伸強度為538. 1 MPa，壓縮強度為551. 3 MPa，衝擊韌性為72. 2 kJ /m2，而未處理則分別僅為533. 6MPa，413. 9 MPa，417. 8 MPa 和47. 9 kJ /m2。

　　 4 斷口形貌分析表明，碳纖未處理的複合材料斷口碳纖雜亂，膠體分佈不均; 偶聯劑塗覆處理的複合材料斷口光滑平齊，膠體均勻包覆於碳纖周圍。