碳纤维环氧树脂复合材料高性能化的研究.pptx

碳纤维/环氧树脂复合材料高性能化的研究
复旦大学高分子科学系
2015年硕士学位论文答辩
硕士生：陈树生
指导老师：冯嘉春 教授
答辩日期：5月30日
硕士学位论文答辩
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论 文 引 言
目录
研 究 内 容
全 文 总 结
附 录
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1
3
2
5
致 谢
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3
论文引言
碳纤维/环氧树脂(Carbon fiber reinforced epoxy resin, CF/EP)复合材料是一类以碳纤维为增强体，以环氧树脂为基体的先进复合材料。
碳纤维/环氧树脂
比强度和比模量高
结构尺寸稳定
疲劳强度高
热膨胀系数小
耐腐蚀
材料性能可设计
土木建筑
航天航空
汽车
文体休闲器材
应用
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碳纤维 (Carbon fiber, CF)，是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料。
根据原料不同，碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基、黏胶基碳纤维，PAN基碳纤维综合性能最好，产量占碳纤维总产量的90 %以上。
性能特点：1)比强度高、比模量高；2)耐腐蚀、耐疲劳；3)热膨胀系数小、摩擦系数低、耐高低温。
拉伸模量(GPa)
拉伸模量(GPa)
密度(kg/m3)
比强度
比模量
PAN基CF

>230
-

130
沥青基CF

379

1
223
粘胶基CF
-
414-552
2
1
207
4130 钢

212


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论文引言
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图1-1. 碳纤维的结构
碳纤维结构：
乱层石墨结构
皮芯结构(表皮层结构致密，取向度高)
表面性能：
表面比较平滑，不利于与基体的机械嵌合
表面能低，不利于被基体树脂所润湿
表面活性低，不利于发生化学反应
环氧树脂 (Epoxy resin, EP)，是指分子中含有两个或两个以上环氧基团，并在适当的化学物质作用下能形成三维交联网络状固化物的一类预聚物。
性能优点：
优良的物理机械性能
良好的尺寸稳定性和加工性能
耐药品性能、电绝缘性能、粘结性能
性能缺点：
质脆、冲击韧性差
论文引言
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碳纤维/环氧
复合材料性能
三个影响因素
基体性能
EP脆性导致基体韧性不足
界面性能
CF表面惰性导致界面强度差
纤维性能
CF自身性能一般满足要求
碳纤维表面处理
论文引言
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碳纤维表面改性方法
未处理
等离子处理
未处理
HMSA-1涂层处理
Dilsiz N, et al. J. Adhes. Sci. Technol., 2000, 14(7): 975-987.
Liu J, et al. J. Appl. Polym. Sci., 2012, 124(1): 864-872.
氧化法
气相氧化法
液相氧化法
电化学氧化法
等离子体法
非氧化法
表面涂层改性法
化学气相沉积法
除去表面薄弱层
增加表面的活性基团
碳纤维造成损伤，降低其强度
防止碳纤维起毛开叉
不影响力学性能，甚至有所提高
与碳纤维难以形成强的化学相互作用
开发一种新的碳纤维表面改性方法，既能与碳纤维形成强的相互作用，又能保留其本身强度，具有重要意义！
论文引言
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碳纤维/环氧
复合材料性能
三个影响因素
基体性能
EP脆性导致基体韧性不足
界面性能
CF表面惰性导致界面强度差
纤维性能
CF自身性能一般满足要求
碳纤维表面处理
环氧树脂增韧改性
论文引言
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环氧树脂增韧改性途径
化学改性：通过改变环氧的一些化学结构实现增韧目的
物理改性：在环氧树脂中共混改性组分来获得增韧效果
橡胶类弹性体
热塑性树脂
无机刚性粒子
热致液晶聚合物
核壳聚合物
传统的物理改性增韧剂：
增韧剂与基体相容性差
增韧剂与基体发生宏观相分离产生微米级增韧相
嵌段共聚物增韧环氧
嵌段共聚物
环氧树脂
具有纳米结构的环氧树脂
增韧