碳纤维表面改性研究进展开题报告.doc

.页眉. 页脚.. 南昌航空大学科技学院毕业设计(论文)开题报告题目碳纤维表面改性研究进展专业名称高分子材料与工程班级学号 088102121 学生姓名刘强指导教师万里鹰填表日期 2012 年3月 16日 2 碳纤维的表面改性研究进展一. 选题的依据及意义: 1. 碳纤维简介碳纤维是纤维状的碳素材料,含碳量在 90% 以上。它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。碳纤维具有十分优异的力学性能,是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维,特别是在 2000 ℃以上的高温惰性环境中,碳材料是唯一强度不下降的物质,是其他主要结构材料(金属及其合金)所无法比拟的。除了优异的力学性能外,碳纤维还兼具其他多种优良性能,如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热传导性高、热膨胀系数低、光穿透性高,非磁体但有电磁屏蔽性等。但未经表面处理的碳纤维表面惰性大,缺乏具有化学活性的官能团,与基体的黏结性差,界面中存在较多的缺陷,限制了碳纤维高性能的发挥。因此,国内外对碳纤维的表面改性研究非常活跃。碳纤维的表面改性主要通过提高碳纤维表面活性,强化碳纤维与基体树脂之间界面性能,达到提高复合材料层间剪切强度的目的。作为高性能纤维的一种,碳纤维既有碳材料的固有特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是先进复合材料最重要的增强材料,已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用,从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此,碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表,为世人所瞩目。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面,发挥着非常重要的作用,对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义,对国防军工和国民经济有举足轻重的影响。 2 碳纤维表面结构与性能碳纤维一般是用分解温度低于熔融点温度的纤维状聚合物通过千度以上固相热解而制成的, 在热裂解过程中排出其它元素, 形成石墨晶格结构。通过在氧气等离子气体中用腐蚀方法研究碳纤维的结构发现, 石墨微晶在整个纤维中的分布是不均匀的, 碳纤维由外皮层和芯层两部分组成, 外皮层和芯层之间是连续的过渡层。延直径测量, 皮层约占 14%, 芯层约占 39% 。皮层的微晶尺寸较大, 排列较整齐有序。由皮层到芯层, 微晶尺寸减小,排列逐渐变得紊乱,结构的不均匀性越来越显著,称之为过渡区。碳纤维表面的粗糙度、微晶大小、官能团的种类和数量对碳纤维与基体的结合性能有很大的影响。增加表面粗糙度有利于碳纤维与基体树脂的机械嵌合,增强锚锭效应;石墨微晶越大,处于碳纤维表面棱角和边缘位置的不饱和碳原子数目越少, 表面活性越低, 相反, 微晶越小, 活性碳原子的数目就越多, 越有利于纤维与树脂的粘合; 碳纤维表面的官能团如- OH 、-NH 2 等能与基体 3 发生反应,形成化学键。经表面处理后,碳纤维表面石墨微晶变细,不饱和碳原子数目增加, 极性基团增多,这些都有利于复合材料性能的改善。目前表面处理改性的方法可以分为氧化法及非氧化法两大类。在此对碳纤维表面处理方法进行详细介绍和比较,以期为碳纤维生产厂家提高碳纤维复合材料性能提供参考。 3. 碳纤维表面改性方法 气相沉积法近年来,用气相沉积技术对碳纤维进行涂覆处理是碳纤维改性的一个重要方面,在高模量结晶型碳纤维表面沉积一层无定性碳来提高其界面黏接性能,增加复合材料的层问剪切强度。 气相沉积处理法中采用的涂层技术主要有两种: 一种把碳纤维加热到 1200 ℃,用甲烷(乙炔、乙烷)一氮混合气体处理,甲烷在碳纤维表面分解,形成无定型碳的涂层,处理后所得到的复合材料层问剪切强度可提高两倍; 另一种方法是先用喹啉溶液处理碳纤维,经干燥后在 1600 ℃下裂解,所得到的复合材料层间剪切强度可提高 倍。此外,还可以用羧基铁和酚醛等的热解后的沉积物来提高界面性能。 气相沉积处理法的原理: 气相沉积处理法是在碳纤维和树脂的界面引入活性炭的塑性界面区来松弛应力,从而提高了复合材料的界面性能。 气相沉积处理法缺点与不足: 气相沉积处理法所需温度较高,有一定危险性,且工艺条件苛刻,未能实现广泛的工业化应用。 电聚合法 电聚合法原理: 电聚合法是在电场力的作用下使含有活性基团的单体在碳纤维的表面聚合成膜,以改善其表面形态和组成。用碳纤维作阳极,不锈钢板作阴极,电聚合液可用含羧基共聚物的铵盐水溶液。电聚合的基本历程为:带有羧基的高聚物的阴离子在电场力的作用下向阳极的表面移动,发生质子化作用而沉积在其表面形成聚合膜。 电聚合法的研究进展 Sbramaian 教授等早在 1976 年就研究用电化学聚合对纤维进行改性。他们以碳纤维为电极,将