碳纖維表面納米結構修飾及其MPSR復合材料性能研究.pdf

1、碳纖維（carbon fiber,CF）增強甲基苯基硅樹脂（methylphenylsiliconeresin,MPSR）復合材料具有優異的熱穩定性、介電性、耐候性、耐輻射性、質量輕、以及熱膨脹系數低等特點，是理想的航空航天熱防護材料。但是，碳纖維與MPSR之間弱的結合性能不利于復合材料綜合性能的發揮，極大地限制了復合材料在航空航天等軍事領域中的應用。所以，必須有針對性地改性MPSR或者碳纖維，從而提高CF/MPSR復合材料的界面粘接強

2、度。MPSR是一種以Si-O-Si為骨架典型的半無機熱固性樹脂。雖然獨特的Si-O鍵結構賦予MPSR優異的耐熱性能，但卻使其難于改性修飾。因此，為了提高CF/MPSR復合材料的界面性能，需對光滑且惰性的碳纖維表面進行活化處理。根據基體MPSR的結構特點及應用領域，選取具有優異耐熱性能和機械性能的納米二氧化硅（SiO2）、三硅醇苯基倍半硅氧烷（TriSilanolPhenyl POSS）以及多壁碳納米管（CNTs），通過物理或化學方法將這

3、些納米結構接枝到纖維表面，以此來提高碳纖維與MPSR之間的浸潤性、空間嚙合作用、范德華力以及化學鍵合等物理、化學作用，旨在改善復合材料界面性能的同時提高復合材料的耐熱性能。
　　利用濃硝酸氧化、3-氨丙基三乙氧基硅烷（APS）胺基化和正硅酸乙酯（TEOS）的溶膠-凝膠技術對碳纖維進行改性處理，在CF/MPSR復合材料中引入高模量納米SiO2界面相。系統地研究了正硅酸乙酯（TEOS）濃度、纖維表面微觀形貌和復合材料界面性能三者之間的

4、關系。納米SiO2的引入改善了纖維表面納米粗糙度和浸潤性，使纖維與樹脂之間的接觸面積和機械嚙合作用得到顯著提高，最終增強了CF/MPSR復合材料的界面性能。當TEOS的濃度為0.05mol/L時，對纖維表面微觀形貌以及復合材料的界面性能改性效果最佳。此時，數量可觀的納米SiO2均勻分散在纖維表面，沒有發生團聚現象。雜化纖維復合材料的層間剪切強度（ILSS）和界面剪切強度（IFSS）分別提高了35.36％和75.12%，沖擊強度提高了26

5、.91%。與此同時，雜化纖維復合材料質量損失率為5%時的溫度比未處理復合材料提高了12.30℃。經過400℃熱氧化處理后，雜化纖維復合材料的ILSS由未處理時的23.28MPa增加到29.85MPa，提高了28.22%。雜化纖維復合材料耐熱性能得到小幅度的改善。
　　采用化學接枝法將三硅醇苯基倍半硅氧烷（TriSilanolPhenyl POSS）引入到碳纖維表面，從而在CF/MPSR復合材料中引入納米POSS界面相。POSS能夠

6、提高纖維表面粗糙度，增加機械嚙合作用，并且POSS分子中的硅羥基能夠與基體樹脂發生化學反應，在復合材料界面中引入化學鍵合作用，極大地增強了基體樹脂與增強體之間的粘接性能。經POSS修飾后，碳纖維的單絲強度并未出現明顯降低。與未處理CF/MPSR復合材料相比，POSS接枝碳纖維（CF-POSS）復合材料的ILSS和IFSS分別提高了45.30%和89.54%，沖擊強度提高了31.12%。與此同時，雜化纖維復合材料質量損失率為5%時的溫度比

7、未處理復合材料提高了67.16℃。經過400℃熱氧化處理后，雜化纖維復合材料的ILSS由未處理時的23.28MPa增加到33.26MPa，提高了42.87%。CF-POSS雜化纖維復合材料的耐熱性能得到顯著的改善。
　　結合碳纖維表面濃硝酸氧化、羥基功能化和化學接枝處理技術，把APS和CNTs以化學鍵合的形式連接到碳纖維的表面，制備了一種二元接枝的多尺度增強體（CF-APS-CNT）。測試結果表明，CNTs在纖維表面以不同的角度均

8、勻分布且沒有團聚現象?；瘜W接枝工藝并未對纖維單絲強度造成明顯損傷。與未處理CF/MPSR復合材料相比，CF-APS-CNT二元接枝纖維復合材料的ILSS和IFSS分別提高了56.50%和102.10%，沖擊強度提高了35.00%。CNTs獨特的結構和纖維表面大量的極性胺基基團改善了纖維表面粗糙度、表面能、浸潤性及化學反應活性，從而提高了復合材料界面相中的機械嚙合作用、范德華作用力以及化學鍵合作用，最終顯著提高了復合材料的界面性能。與此同