论文部分内容阅读
碳纤维(carbon fiber,CF)增强甲基苯基硅树脂(methylphenylsilicone resin,MPSR)复合材料具有优异的热稳定性、介电性、耐候性、耐辐射性、质量轻、以及热膨胀系数低等特点,是理想的航空航天热防护材料。但是,碳纤维与MPSR之间弱的结合性能不利于复合材料综合性能的发挥,极大地限制了复合材料在航空航天等军事领域中的应用。所以,必须有针对性地改性MPSR或者碳纤维,从而提高CF/MPSR复合材料的界面粘接强度。MPSR是一种以Si-O-Si为骨架典型的半无机热固性树脂。虽然独特的Si-O键结构赋予MPSR优异的耐热性能,但却使其难于改性修饰。因此,为了提高CF/MPSR复合材料的界面性能,需对光滑且惰性的碳纤维表面进行活化处理。根据基体MPSR的结构特点及应用领域,选取具有优异耐热性能和机械性能的纳米二氧化硅(Si O2)、三硅醇苯基倍半硅氧烷(Tri Silanol Phenyl POSS)以及多壁碳纳米管(CNTs),通过物理或化学方法将这些纳米结构接枝到纤维表面,以此来提高碳纤维与MPSR之间的浸润性、空间啮合作用、范德华力以及化学键合等物理、化学作用,旨在改善复合材料界面性能的同时提高复合材料的耐热性能。利用浓硝酸氧化、3-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)胺基化和正硅酸乙酯(TEOS)的溶胶-凝胶技术对碳纤维进行改性处理,在CF/MPSR复合材料中引入高模量纳米Si O2界面相。系统地研究了正硅酸乙酯(TEOS)浓度、纤维表面微观形貌和复合材料界面性能三者之间的关系。纳米Si O2的引入改善了纤维表面纳米粗糙度和浸润性,使纤维与树脂之间的接触面积和机械啮合作用得到显著提高,最终增强了CF/MPSR复合材料的界面性能。当TEOS的浓度为0.05mol/L时,对纤维表面微观形貌以及复合材料的界面性能改性效果最佳。此时,数量可观的纳米Si O2均匀分散在纤维表面,没有发生团聚现象。杂化纤维复合材料的层间剪切强度(ILSS)和界面剪切强度(IFSS)分别提高了35.36%和75.12%,冲击强度提高了26.91%。与此同时,杂化纤维复合材料质量损失率为5%时的温度比未处理复合材料提高了12.30℃。经过400℃热氧化处理后,杂化纤维复合材料的ILSS由未处理时的23.28MPa增加到29.85MPa,提高了28.22%。杂化纤维复合材料耐热性能得到小幅度的改善。采用化学接枝法将三硅醇苯基倍半硅氧烷(Tri SilanolPhenyl POSS)引入到碳纤维表面,从而在CF/MPSR复合材料中引入纳米POSS界面相。POSS能够提高纤维表面粗糙度,增加机械啮合作用,并且POSS分子中的硅羟基能够与基体树脂发生化学反应,在复合材料界面中引入化学键合作用,极大地增强了基体树脂与增强体之间的粘接性能。经POSS修饰后,碳纤维的单丝强度并未出现明显降低。与未处理CF/MPSR复合材料相比,POSS接枝碳纤维(CF-POSS)复合材料的ILSS和IFSS分别提高了45.30%和89.54%,冲击强度提高了31.12%。与此同时,杂化纤维复合材料质量损失率为5%时的温度比未处理复合材料提高了67.16℃。经过400℃热氧化处理后,杂化纤维复合材料的ILSS由未处理时的23.28MPa增加到33.26MPa,提高了42.87%。CF-POSS杂化纤维复合材料的耐热性能得到显著的改善。结合碳纤维表面浓硝酸氧化、羟基功能化和化学接枝处理技术,把APS和CNTs以化学键合的形式连接到碳纤维的表面,制备了一种二元接枝的多尺度增强体(CF-APS-CNT)。测试结果表明,CNTs在纤维表面以不同的角度均匀分布且没有团聚现象。化学接枝工艺并未对纤维单丝强度造成明显损伤。与未处理CF/MPSR复合材料相比,CF-APS-CNT二元接枝纤维复合材料的ILSS和IFSS分别提高了56.50%和102.10%,冲击强度提高了35.00%。CNTs独特的结构和纤维表面大量的极性胺基基团改善了纤维表面粗糙度、表面能、浸润性及化学反应活性,从而提高了复合材料界面相中的机械啮合作用、范德华作用力以及化学键合作用,最终显著提高了复合材料的界面性能。与此同时,CF-APS-CNT二元接枝纤维复合材料质量损失率为5%时的温度比未处理复合材料增加了114.88℃。经过400℃热氧化处理后,杂化纤维复合材料的ILSS增加到37.96MPa,比未处理复合材料的ILSS提高了63.06%。CF-APS-CNT二元接枝纤维复合材料的耐热性能得到更显著的改善。