【摘 要】
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碳纤维增强复合材料因其轻质高强的性能优势正逐渐替代高重量的传统材料,在航空航天、轨道交通和风力发电等领域均具有巨大的应用潜力。在各领域的应用中,碳纤维复合材料主要受拉伸、剪切载荷等,其拉伸强度设计余量充足,而剪切、压缩强度成为设计及应用瓶颈。在充分利用碳纤维复合材料拉伸设计余量的基础上,为提高碳纤维复合材料的韧性指标并且降低其生产成本,一种行之有效的方法是将碳纤维(CF)与玻璃纤维(GF)混杂进而
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碳纤维增强复合材料因其轻质高强的性能优势正逐渐替代高重量的传统材料,在航空航天、轨道交通和风力发电等领域均具有巨大的应用潜力。在各领域的应用中,碳纤维复合材料主要受拉伸、剪切载荷等,其拉伸强度设计余量充足,而剪切、压缩强度成为设计及应用瓶颈。在充分利用碳纤维复合材料拉伸设计余量的基础上,为提高碳纤维复合材料的韧性指标并且降低其生产成本,一种行之有效的方法是将碳纤维(CF)与玻璃纤维(GF)混杂进而增强复合材料即制备混杂纤维增强复合材料(HFRCs)。本文以GF、CF作为混杂纤维增强体,聚氨酯为基体树脂,采用拉-挤成型技术制备了一系列的棒状HFRCs。系统地研究了混杂结构、界面性能对HFRCs力学性能和破坏方式的影响机制。主要内容如下:1.采用非等温DSC法确定了聚氨酯的固化反应动力学方程,从热力学的角度确定了聚氨酯的最佳固化温度为70.50℃,固化反应时间为126min。此外,系统研究了不同固化温度(25℃、50℃、75℃、100℃、125℃)对聚氨酯力学性能的影响。2.采用拉-挤成型技术制备了三种混杂类型(同心混杂、层内混杂、层间混杂)的混杂纤维增强聚氨酯复合材料。系统研究了混杂结构与复合材料拉伸强度和剪切性能的相关性,并分析阐述了混杂结构对复合材料破坏过程及其破坏方式的影响机制。结果表明:三种混杂类型HFRCs的拉伸强度处于玻璃纤维复合材料和碳纤维复合材料的拉伸强度之间;但其层间剪切强度均高于玻璃纤维复合材料和碳纤维复合材料,表现出明显的正向混杂效应。不同混杂结构的HFRCs表现出不同的力学特性,具有最高拉伸强度的为同心混杂结构的HFRCs,其次为层内混杂结构的HFRCs;层间混杂结构的HFRCs在层间剪切强度方面具有最为显著的正向混杂效应,其次为层内混杂结构的HFRCs。3.采用浸涂法制备了PVA改性纤维和PVA/GO/OCNTs改性混杂纤维,探究了PVA以及GO/OCNTs含量对纤维表面性能的影响。当PVA含量为1.5wt%、GO/OCNTs含量为1wt%时,HF表面的杂化涂层均匀致密。HF表面性能分析结果表明,PVA/GO/OCNTs杂化涂层大大增加了纤维的表面积以及纤维与基体树脂间的机械铆合力、化学键合力,这将有利于改善纤维与树脂间的界面性能。4.通过采用聚乙烯醇/氧化石墨烯/氧化碳纳米管(PVA/GO/OCNTs)杂化涂层改性混杂纤维(GF/CF)制备了一种有效的聚乙烯醇/氧化石墨烯/氧化碳纳米管/混杂纤维(PVA/GO/OCNTs-HF)多尺度增强体。系统地研究了混杂纤维表面改性和混杂结构对复合材料力学性能的影响。与碳纤维复合材料相比,PVA/GO/OCNTs-CF使复合材料的拉伸强度和层间剪切强度分别提升了34.55%和20.17%,PVA/GO/OCNTs-HF使具有同心混杂结构的复合材料的拉伸强度和层间剪切强度分别提升了27.98%和55.23%。强界面性能和混杂结构的协同增强作用使PVA/GO/OCNTs-HF复合材料的力学性能显著增强。
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