高性能碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料材料科學(xué)與工程專業(yè)本科生

哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文.68由4.5至4.6，碳纖維CCF300、T300、T800與TDE85環(huán)氧樹脂的界面剪切強(qiáng)度值依次為64.15、66.02、79.68MPa，這表明TDE85環(huán)氧樹脂與碳纖維表面粘結(jié)良好，充分發(fā)揮了纖維優(yōu)異的強(qiáng)度性能，尤其是對(duì)高強(qiáng)度的T800碳纖維；相對(duì)T800單纖維復(fù)合材料，T300、CCF300單纖維復(fù)合材料界面強(qiáng)度要小得多。4.2.2埋入長(zhǎng)度與最大脫粘力的關(guān)系以T800/TDE85體系單纖維復(fù)合材料為例，樹脂小球脫粘時(shí)，最大脫粘力與包埋長(zhǎng)度存在一定的線性關(guān)系，如圖4.7所示。圖4.7包埋長(zhǎng)度L與最大脫粘力F關(guān)系曲線隨著包埋長(zhǎng)度的增加，最大脫粘力逐漸增大。當(dāng)埋入長(zhǎng)度在一定范圍脫粘時(shí)，其應(yīng)力狀態(tài)可看作不變，但是曲線不會(huì)無限地線性增加。因?yàn)楫?dāng)埋入長(zhǎng)度超過一定值時(shí)，測(cè)試中的纖維極易發(fā)生斷裂，而此時(shí)小球并未脫粘。因此存在一個(gè)臨界包埋長(zhǎng)度，當(dāng)埋入長(zhǎng)度大于該臨界長(zhǎng)度時(shí)，隨著埋入長(zhǎng)度的增加，最大脫粘力將不再發(fā)生變化[46]。埋入長(zhǎng)度過短，樹脂基體在碳纖維表面鋪展時(shí)形成的微球直徑小，上下刀口難以?shī)A持，測(cè)試時(shí)易滑脫；而埋入長(zhǎng)度過長(zhǎng)，纖維環(huán)氧樹脂間剪切強(qiáng)度超過了碳纖維單絲拉伸強(qiáng)度，此時(shí)碳纖維發(fā)生斷裂取代微球脫粘成為主要的破壞方式。用微脫粘法測(cè)界面剪切強(qiáng)度時(shí)，選取測(cè)試的包埋長(zhǎng)度宜控制在40~70μm。4.2.3界面強(qiáng)度影響因素CF/TDE85界面強(qiáng)度由大到小的順序?yàn)椋篢800、T300、CCF300，與第三章的XPS結(jié)果比較可得，其與碳纖維表面含氧官能團(tuán)的含量是一致的，即與CF/TDE85界面化學(xué)鍵合作用強(qiáng)弱相一致，說明其界面強(qiáng)度的重要影響因素是碳纖維表面的含氧官能團(tuán)。與復(fù)合材料宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，微復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)已經(jīng)能夠直接定量或半定量的測(cè)出界面強(qiáng)度，并且有些實(shí)驗(yàn)值已被用于復(fù)合材料宏觀設(shè)計(jì)和估算損傷、殘余剛度及壽命的研究等方面。但是其試樣制備及實(shí)驗(yàn)技術(shù)較為困難和復(fù)雜，需要測(cè)量大量的數(shù)據(jù)才能得到可信值；另外，實(shí)驗(yàn)采用的樣品屬于單纖維復(fù)合材料，其成型條件與真實(shí)復(fù)合材料工藝存在差異，由此形成的界面與實(shí)際復(fù)合材料界面的性質(zhì)存在一定差異。4.3本章小結(jié)(1)采用DCT21動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量?jī)x獲得了三種纖維與復(fù)配TDE85環(huán)氧樹脂的接觸角，結(jié)果表明，TDE85環(huán)氧樹脂能夠較好地潤(rùn)濕三種纖維。(2)依據(jù)部分極性理論，獲得三種纖維的表面能。三種纖維與樹脂的接觸角由大到小順序是CCF300、T800、T300，而其表面能由大到小順序是T300、T800、CCF300；兩者對(duì)比可以看出：碳纖維表面能越大，其與TDE85接觸角就越小，潤(rùn)濕性就越好(3)T800/TDE85體系的界面強(qiáng)度值高達(dá)79.68MPa，TDE85環(huán)氧樹脂與碳纖維表面粘結(jié)良好，充分發(fā)揮了T800優(yōu)異的強(qiáng)度性能。最大脫粘力與纖維在樹脂小球中的包埋長(zhǎng)度有一定的線性關(guān)系。選取進(jìn)行測(cè)試的微滴包埋長(zhǎng)度在40~70μm。(4)與第三章XPS和本章界面性能結(jié)果比較分析，基體潤(rùn)濕纖維表面是形成良好界面的先決條件；單纖維復(fù)合材料的界面強(qiáng)度隨著纖維表面含氧官能團(tuán)含量的增加而提高。這是因?yàn)楹豕倌軋F(tuán)一方面改善了纖維表面的極性，增大了纖維的表面能，提高了基體與其潤(rùn)濕性；另一方面，可與環(huán)氧樹脂基體的化學(xué)官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)作用，形成強(qiáng)的結(jié)合界面。由此可知，界面化學(xué)鍵合作用是界面強(qiáng)度的重要影響因素

結(jié)論本課題以T800為研究對(duì)象，采用微滴脫粘的方法測(cè)試其與TDE85環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度，并與日本東麗公司生產(chǎn)的T300碳纖維和國(guó)產(chǎn)的CCF300進(jìn)行對(duì)比分析，以此表征T800復(fù)合材料的界面性能，并分析影響其界面性能的因素，為材料結(jié)構(gòu)及工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。(1)碳纖維XPS分析結(jié)果表明：國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維表面只含有C、O兩種元素，而T300、T800在此基礎(chǔ)上，還含有N、Cl等元素；碳纖維表面含氧官能團(tuán)T800含量最高，T300次之，CCF300最低，僅為23.28%，這些含氧官能團(tuán)大部分為醚鍵，也有少部分的羧基和酯基；它們改善了碳纖維的表面極性，增加了纖維的活性，提高了纖維的表面能。碳纖維與TDE85環(huán)氧樹脂復(fù)合后，界面只含有C、O、N三種元素，且界面產(chǎn)生了較強(qiáng)的物理和化學(xué)作用，形成了性能較好的界面。(2)三種纖維與樹脂的接觸角由大到小順序是CCF300、T800、T300，而其表面能由大到小順序是T300、T800、CCF300；兩者對(duì)比可以得出：碳纖維表面能越大，其與TDE85接觸角就越小，潤(rùn)濕性就越好。(3)在確定樹脂的固化制度、測(cè)試速度、刀口的位置及適當(dāng)?shù)陌耖L(zhǎng)度的情況下，測(cè)量碳纖維與TDE85環(huán)氧樹脂的界面強(qiáng)度。微脫粘測(cè)試結(jié)果顯示：高性能T800碳纖維與TDE85環(huán)氧樹脂形成了較好的界面結(jié)合，T300與CCF300強(qiáng)度值相差不大，其界面結(jié)合狀況比T800/TDE85體系差，這說明，TDE85充分發(fā)揮了T800的高強(qiáng)度這個(gè)優(yōu)異性能。(4)將界面強(qiáng)度與XPS和潤(rùn)濕性結(jié)果分析可得，基體能潤(rùn)濕纖維表面是形成良好界