碳纤维增强环氧树脂基复合材料研究进展.ppt

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1、1,碳纤维增强环氧树脂基复合材料研究进展,黄洪亮10721325,高性能塑料与工程,2,1.碳纤维表面处理,高性能塑料与工程,2.复合体系及其特点,6.EPCF复合材料的应用,5.EPCF复合材料的界面结构表征方法,4.EPCF复合材料的成型工艺,3.EP/CF复合材料的增强机理,3,高性能塑料与工程 背景介绍,EP/CF复合材料的发展：,4,高性能塑料与工程 第一部分：碳纤维表面处理,表面处理目的：,提高碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体的结合强度。,途径：,清除表面杂质；在纤维表面形成微孔或刻蚀沟槽，从类石墨层面改性成碳状结构以增加表面能；引进具有极性或反应性官能团；形成能与树脂起作用的中间

2、层。,5,高性能塑料与工程 第一部分：碳纤维表面处理,6,W.H.Lee et al./Applied Surface Science 171(2001)136-142,气相氧化法是将碳纤维暴露在气相氧化剂中，在加温、加催化剂等特殊条件使其表面氧化生成一些活性基团。,高性能塑料与工程 第一部分：碳纤维表面处理,7,采用液相介质对碳纤维表面进行氧化的方法。常用的液相介质有浓硝酸、混合酸和强氧化剂等。,高性能塑料与工程 第一部分：碳纤维表面处理,赵东宇,李滨耀,余赋生.碳纤维表面的液相氧化处理改性J应用化学，1997，(4)：11,8,高性能塑料与工程 第一部分：碳纤维表面处理,把碳纤维作为电解池

3、的阳极、石墨作为阴极，在电解水的过程中利用阳极生成的氧，氧化碳纤维表面的碳及其含氧官能团，将其先氧化成羟基之后逐步氧化成酮基、羧基和CO2的过程。,夏丽刚,李爱菊,阴 强,王威强;碳纤维表面处理及其对碳纤维/树脂界面影响的研究;材料导报,2006(5)：254-257,9,高性能塑料与工程 第一部分：碳纤维表面处理,利用非聚合性气体对材料表面进行物理和化学作用的过程。,DilsizN,Ebert E,Weisweiler W.Effect of plasma polymerization on carbon fibers used for fiber/epoxyComp JColloid In

4、terf Sci，1995，170：241,10,高性能塑料与工程 第一部分：碳纤维表面处理,将某种聚合物涂覆在碳纤维表面，改变复合材料界面层的结构与性能，使界面极性等相适应以提高界面粘结强度，同时提供一个可消除界面内应力的可塑界面层。,西北工业大学材料科学与工程学院曾金芳等采用活性涂层、刚性涂层和柔性涂层，分别对HTAP30碳纤维进行表面处理,活性涂层可显著改善复合材料的剪切性能，而且涂层浓度对性能的影响非常敏感，当浓度为1-2时，剪切强度可以提高20。,结果,曾金芳.乔生儒.丘哲明等.纤维表面处理对碳纤维复合材料剪切性能影响固体火箭技术，2002，25(4)：4549,11,高性能塑料与工

5、程 第二部分：复合材料基本特点,EP/CF复合材料具有优异的性能：,12,常规的CF：表面平滑活性官能团少表面能低，呈现表面化学惰性，与EP基体浸润性较差，复合材料界面黏合力较弱。,高性能塑料与工程 第三部分：增强机理,EP/CF复合材料的增强机理：,因此，需要对CF表面改性处理，提高其与基体树脂的黏结性，进而提高复合材料的性能。,其表面石墨层面边缘较大面积氧化，边缘活性点数量增加，致使凹凸不平的表面更有利于与EP基体的键合，使复合材料的剪切性能提高。同时，其表面能增加，显著改善了CF与基体间的润湿性，接触角减小，表面呈现亲液性。另外，经过处理后，其表面出现了大量的羟基、羧基、醌类等官能团，提

6、高了CF表面的极性、增强体与EP基体之间的润湿性和它们的黏结程度。,13,高性能塑料与工程 第四部分：复合成型工艺,EP/CF复合材料的复合成型工艺:,14,高性能塑料与工程 第四部分：复合成型工艺,手糊成型：,孙酣经化工新型材料，1998(4)：4244,15,高性能塑料与工程 第四部分：复合成型工艺,树脂传递成型：,马青松，等材料科学与工程，2000，18(4)：9297,16,高性能塑料与工程 第四部分：复合成型工艺,真空袋法成型：,李斌太，等航空材料学报，2006，26(3)：22222,17,高性能塑料与工程 第四部分：复合成型工艺,树脂膜熔浸成型：,陈立军，等：环氧树脂碳纤维复合材

7、料的成型工艺与应用，工程塑料应用，2007（35）：77-79,18,高性能塑料与工程 第四部分：复合成型工艺,预浸料成型：,预浸料高压釜法示意图,张彦中纤维复合材料，1997(1)：2630,19,高性能塑料与工程 第四部分：复合成型工艺,拉挤成型：,Wingard C DThemlochimiea Acta，2000，357358：293301,20,高性能塑料与工程 第五部分：界面结构表征方法,EP/CF复合材料的界面结构表征方法：,电镜分析扫描电子显微镜(SEM)透射电子显微镜(TEM)扫描隧道显微镜(STM)原子力显微镜(AFM),谱学分析离子散射谱(ISS)二次离子质谱(SIMS)

8、俄歇电子谱(AES)X射线光电子谱(XPS)卢瑟福背散射(RBS)红外光谱(IR)紫外光谱(UV),21,高性能塑料与工程 第六部分：复合材料的应用,EPCF复合材料的应用：,22,Experimental study of mechanical and electrical properties of carbon nanofiber/epoxy composites碳纳米纤维/环氧树脂复合材料的机械性能和电性能的实验研究,高性能塑料与工程 文献部分,Smrutisikha Bal；Experimental study of mechanical and electrical propert

9、ies of carbonnanofiber/epoxy composites；Materials and Design 31(2010)24062413,23,CNF(0.5 wt.%,0.75 wt.%and 1 wt.%）增强EP 不同含量的碳纳米纤维对环氧树脂的增强效果 将复合材料分别在室温环境下固化（23）和在冷冻环境下固化（4）不同的固化方式对复合材料性能的影响,高性能塑料与工程 文献部分,1.Purpose:,24,2.1.Materials环氧树脂、固化剂、碳纳米纤维(CNFs)2.2.Preparation of composites,高性能塑料与工程 文献部分,2.Mate

10、rials and methods,25,机械性能 弯曲性能 硬度电性能拉曼光谱电镜 透射电子显微镜（TEM）扫描电子显微镜（SEM）,高性能塑料与工程 文献部分,26,高性能塑料与工程 文献部分,3.Results and discussion,3.1.Bending experiments,27,高性能塑料与工程 文献部分,3.2.Hardness results,28,高性能塑料与工程 文献部分,3.3.Electrical measurement,29,高性能塑料与工程 文献部分,3.4.Raman spectroscopy,Fig.8.Raman spectra of(a)room

11、temperature and(b)Refrigerated nanocomposites.,30,高性能塑料与工程 文献部分,3.5.Electron microscopic study,Fig.9.Dispersion of CNFs in epoxy matrix(inside arrows indicate agglomeration)in(a)C1.0 and(b)RC1.0.,31,高性能塑料与工程 文献部分,Fig.10.Fracture surface of CNF/epoxy composites of(a)C1.0 and(b)RC1.0.,32,高性能塑料与工程 文献部分

12、,Fig.11.(a)Fracture surface of epoxy matrix E and(b)Interaction between matrix and carbon nanofiber in nanocomposite C1.0.,33,高性能塑料与工程 文献部分,Fig.12.Fracture surface of C1.0 sample(a)along x-direction showing horizontal alignment of fibers;(b)along z-direction showing vertical alignment of fibers.,34,

13、高性能塑料与工程 文献部分,Fig.13.Network formation(inside arrow pointing the region)of sample C1.0 observed by(a)SEM and(b)TEM.,35,少量的CNFs（0.5%1%）就可以使环氧树脂复合材料的机械性能和电性能得到改进。低温环境下固化的CNFs/EP复合材料更有利于CNFs的分散，能更好的增强复合材料的弯曲模量和硬度。加入CNFs后绝缘体环氧树脂呈现出半导体的导电特性。室温条件下固化的CNFs/EP复合材料,其导电性随CNFs含量的增加而更好；而冷冻环境下固化的则呈现相反的趋势。,高性能塑料与工程 文献部分,4.conclusion,36,The end,高性能塑料与工程 文献部分,thanks,