碳纤维/环氧树脂复合材料增韧改性的研究

作     者：何宏伟 

作者单位：中国科学院研究生院 

学位级别：博士

导师姓名：李开喜

授予年度：2011年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：环氧树脂 力学性能 纳米粒子 复合材料 碳纤维 增韧改性 

摘      要：环氧树脂是航空、航天及国防领域最常用的热固性树脂,该类树脂具有优异的热稳定性、电绝缘性和物理、机械性能,可作为浸渍料、胶黏剂和先进复合材料的基体,但高的交联密度导致其固化体系在常温下存在抗裂性差、质脆、不耐冲击等缺陷,因此应用受到很大限制。本论文在广泛了解国内外环氧树脂增韧改性技术的基础上,着重考察了复配树脂改性、热塑性树脂改性和纳米粒子改性对碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能,尤其是韧性的影响。另外,由于实际应用中对环氧树脂耐热性也有一定的要求,因此也研究了各种改性方法对环氧树脂体系耐热性的影响。主要结论如下:\n 1、选用不同结构、性能的环氧树脂组成复配树脂,发挥各自的优势,研究结果表明:AG80/CFs的刚性较好,韧性较差,E51/CFs复合材料的韧性较好,刚性较差。二者进行复配,当复配树脂比例为1:1时,碳纤维/环氧树脂复合材料的整体性能较好。\n 2、研究了固化温度、固化剂含量和升温速率对复合材料力学性能的影响。结果表明:固化剂含量和升温速率恒定的情况下,适当的固化温度可以提高复合材料的力学性能,过高或者过低的固化温度都不利于复合材料力学性能的提高;固化剂含量为计量比(或略大于计量比)、升温速率为2℃/min时,复合材料的整体力学性能最好。\n 3、当热塑性酚醛树脂(NR)含量为复合材料的7 wt%-13 wt%时,复合材料的冲击强度和层间剪切强度较高,弯曲强度稍许降低,但降低幅度不大。综合来看,当NR的含量为7 wt%-13 wt%时复合材料的力学性能较理想。复合材料韧性得以提高的主要原因是由于纤维和基体问形成了NR过渡层。NR过渡层的形成对于冲击力产生了一个很好的缓冲作用,通过NR过渡层将载荷传递给纤维,极大地提高了材料的抗冲击能力。\n 4、改性酚醛树脂MNR作固化剂时,碳纤维/环氧树脂复合材料的韧性虽然有很大提高,但复合材料的刚性较差,因此MNR只适合作增韧剂使用。以MNR为增韧剂,4,4\ -二氨基二苯砜(DDS)为固化剂制备碳纤维/环氧树脂复合材料,所得复合材料的刚性和韧性都有很大程度的提高,尤其是当MNR的含量为20wt%时,复合材料的冲击强度达到122.3 kJ/m2,比未改性时提高50%。\n 5、改性纳米粒子和改性酚醛树脂复配使碳纤维/环氧树脂复合材料的刚性和韧性得到进一步提高,当改性纳米CaCO3的含量为2wt%-4wt%时,碳纤维复合材料力学性能较好。改性纳米CaCO3的加入可以有效提高复合材料的韧性和纤维与树脂基体之间的界面粘结能力,这是由于纳米粒子的加入可有效改善树脂基体的抗裂纹扩展能力。