王成忠[1]2001年在《C型炭纤维的制备及其阳极氧化表面处理机理的研究》文中进行了进一步梳理本文主要研究了C型沥青基炭纤维的制备及其阳极氧化表面处理的机理。结果表明：以沥青渣油为原料调制出各向同性沥青，用C型喷丝板在不同工艺下可纺制出中空、圆形、条形、C型炭纤维。纺丝温度是影响其截面形状的主要因素，沥青纤维的予氧化时间及予氧丝的炭化温度对炭纤维的单丝强度有较大影响，予氧化时间有一最佳值，少于或超过此值炭纤维的单丝强度都会降低。 本文首先采用常规阳极氧化方法对C型炭纤维进行表面处理。处理后炭纤维表面含氧官能团虽有所上升，与树脂的界面粘结性有所好转，但效果并不理想。分析后认为常规方法的氧化处理程度较浅，未充分考虑阳极氧化的其他影响因素。 根据电化学基本反应原理和炭纤维的表面特性，实验设计了改进的阳极氧化处理装置和引入新的处理条件对C型炭纤维进行表面处理，通过XPS、AFM及SEM分析，提出沥青基炭纤维的阳极氧化机理：在高于碳电极的电极电位下，炭纤维的阳极氧化表面处理是表面官能团的反应平衡过程，即表面的碳及其官能团逐步被氧化成羧基和CO_2的过程。其间多个反应同时进行，根据各官能团生成焓的高低排列反应顺序；电流强度决定自由氧的浓度，在低电流下，官能团反应是主要反应，而在大电流长时间处理条件下，自由氧浓度过量，生成CO_2北京化工大学硕士学位论文的反应即表面刻蚀变为主要反应;表面刻蚀首先是使炭纤维表面变得更加光滑;当表面梭基含量达到一定程度时，氧化反应就会缓慢甚至停止，各反应达到平衡，各官能团含量不再增加。 通过对各种炭纤维处理前后的SEM观察，认为SEM在微米尺度的分辨率不足以表征炭纤维阳极氧化后的形貌变化，而采用AFM可在纳米尺度上表征炭纤维在电化学氧化过程中的表面形貌变化。AFM与XPS结合可表征炭纤维阳极氧化表面处理的进程。 炭纤维经表面处理后，通过增强ABS、尼龙66热塑性复合材料的研究表明:表面处理提高了与树脂的界面粘结性，初步实验结果认为炭纤维与树脂的结合力主要取决于炭纤维表面含氧官能团，而与表面粗糙度关系不大。关键词:炭纤维，阳极氧化，界面性能
任富忠[2]2011年在《短碳纤维增强镁基复合材料的制备及其性能的研究》文中研究指明金属镁由于具有低密度和良好的阻尼减震性、导热性以及电磁屏蔽性等特点,在航空航天、交通运输和电子工业等领域有着广阔的应用前景,但由于纯镁的力学性能及耐腐蚀性能较差,因此在工业上一般不直接使用纯镁作为结构材料。金属镁的工业应用多采取以下两种途径来实现:一是添加合金元素形成镁合金;二是加入增强体制备成镁基复合材料;在镁合金中引入不同功能增强体可显着地改善镁基复合材料的力学性能、耐磨性能、阻尼性能及耐高温性能。碳纤维由于具有高的比强度、比模量、耐高温、耐疲劳、低膨胀和自润滑等优异的综合性能,使其成为一种非常理想的制备镁基复合材料的增强体材料。但是,碳纤维与金属镁之间的润湿性较差,为此往往需要对碳纤维进行表面处理,化学镀镍一方面由于其与金属镁之间良好的润湿性使得碳纤维增强镁基复合材料的力学性能大幅度提高;另一方面其在界面层中引入金属镍还可以显着地改善镁基复合材料的阻尼性能。本文采用粉末冶金和热挤压的工艺技术制备了短碳纤维增强镁基复合材料,对其制备技术、组织结构、力学性能及阻尼性能等进行了研究。采用化学镀镍的方法对碳纤维进行了表面处理,并对金属镍的沉积机理及其对镁复合材料力学性能及阻尼性能的影响进行了研究,最后采用有限元法对复合材料的热挤压过程进行了计算机模拟,研究了挤压过程中各参数对复合材料微观结构的影响。论文取取得了以下主要成果:1、在预备试验的基础上,设计了碳纤维化学镀镍处理的L16(4~5)正交试验,得到了最佳的施镀工艺条件:T=65℃,t=3min,pH=8.0,络合剂含量25g/L。采用此工艺条件,在碳纤维表面得到了结构均匀0.5um厚的金属镍涂层。2、通过化学镀镍沉积过程研究发现,整个化学镀过程可分为诱导期-加速期-减速期-稳定期四个阶段。[OH-]的反应级数为0.265,[C_6H_5O_7~-]的反应级数为-0.233,化学镀的活化能为62.82KJ/mol。随着热处理温度的升高,金属镍涂层向碳纤维内部扩散而使其发生了石墨化、镀层内部晶粒明显长大、结晶度提高近1倍,其物相组成由初始的沿(111)晶面择优取向的金属Ni和少量的P转变为无序取向的Ni和Ni3P。3、以纯镁为基体金属,采用粉末冶金挤压法成功制备了短碳纤维分布均匀且定向排列的镁基复合材料。压坯制备过程中不规则镁颗粒对短碳纤维有剪切作用,复合材料内部的纤维会变短,其平均长度约为30μm;TEM测试结果表明,复合材料界面层厚度约500nm,界面结合良好,界面生成的Mg_2Ni对碳纤维有一定的催化石墨化作用。4、综合理论计算和试验结果发现,涂层碳纤维增强镁基复合材料的增强机理主要是“载荷传递效应”;随着增强体体积分数的增加,在高于临界振幅的范围内复合材料的阻尼性能更加优良,常温下复合材料阻尼除位错阻尼机制外还有其他的阻尼机制存在。纯Mg、5.5vol%uncoated cf/Mg和5.5vol%Ni-coated cf/Mg叁种材料在整个测试温度范围内都只存在一个阻尼峰,且随着频率的增加其阻尼峰值温度升高,显示了热激活弛豫过程的特征,叁种材料的热激活能H的大小分别为:1.287eV、1.129eV和1.725eV;前两种材料起作用的主要是位错阻尼机制,而5.5vol%Ni-coated cf/Mg复合材料由于碳纤维表面金属镍涂层的引入改善了界面润湿性,使界面附近的位错密度降低,在低温及相同外加应力的作用下通过位错运动耗散的能量最少,随着温度的升高通过界面和晶界的滑移所耗散的能量增加导致其在200~260℃范围内具有最大的阻尼值。5、成功地制备了短碳纤维增强的AZ91D镁基复合材料,复合材料中短碳纤维的长度为30~40μm。TEM观察发现,复合材料界面结合良好,5.0vol%Ni-coated cf/AZ91D复合材料的力学性能与纯AZ91D及5.0vol%uncoated cf/AZ91D相比最优。5.0vol%Ni-coated cf/AZ91D复合材料随着频率的增大阻尼峰值温度移向高温,同样表现出热激活弛豫过程的特征,其热激活能H为3.448eV;在温度高于220℃的条件下,随着热挤压温度的升高和挤压比的减小5.0vol%Ni-coated cf/AZ91D复合材料的阻尼值减小,这与复合材料内部的晶粒大小有关。6、DEFORM-3D有限元软件对热挤压过程的模拟结果表明,复合材料中碳纤维长度减小的主要原因是压制过程中金属颗粒对纤维的剪切作用;在热挤压过程中复合材料内部的应力场、应变场和温度场都对称分布,且在定径带处出现明显的应力和应变集中;通过对此区域复合材料的金相组织观察发现,在挤压开始阶段复合材料内部基体金属颗粒由于受到挤压力的影响而被逐渐拉长,且发生了明显的动态再结晶,晶粒尺寸在此过程中出现明显的细化现象,当材料流出定径带后由于材料内部应力和应变的释放而使晶粒尺寸变大。
韩飞飞[3]2012年在《炭纤维表面碳化锆及其复合涂层的制备研究》文中研究指明炭纤维常被用作复合材料的增强体，但增强体炭纤维和基体材料之间存在着一系列的界面问题。在炭纤维表面形成一层碳化物或金属涂层，对于增进界面润湿性、阻挡界面扩散和界面反应、提高增强体自身的耐热抗氧化能力都是最为行之有效的方法。有些如Zr、Ti等元素，其碳化物和氧化物的熔点都很高，且在超高温度下还可以在表面形成抗氧化涂层，减少向碳基体扩散的氧气量，在材料制备过程还对碳的石墨化起到了催化作用，可以改善碳材料的整体性能。本论文在前人研究的基础上，以金属锆粉和金属钛粉作为金属源、PAN基炭纤维为模板碳源，在KCl-LiCl（或KCl-LiCl-KF）熔盐体系中合成ZrC/Zr和ZrC/TiC复合涂层炭纤维。主要研究了反应温度、反应时间、炭纤维与金属摩尔比、氧化温度、氧化时间等工艺条件对复合涂层及炭纤维的影响。采用XRD、SEM、EDX和TG等技术手段对涂层相组成、形貌和抗氧化性能进行了表征和分析，采用拉伸仪对涂层炭纤维的力学性能进行了研究，主要得出以下结论：1、以KCl-LiCl为熔盐体系，750°C-950°C下反应3h，制备的ZrC/Zr涂层均匀，涂层厚度随温度的升高而增加，但涂层与炭纤维基体的结合性随之减弱。温度800°C时，反应时间对涂层形貌及涂层炭纤维的力学性能影响不大。2、在KCl-LiCl-KF熔盐体系中，制备的涂层致密均匀，低温下涂层与炭纤维基体结合性良好，在850°C制备的涂层与炭纤维之间存在间隙。3、炭纤维与涂层炭纤维的拉伸性能在一定氧化处理温度范围内，随温度升高而有所增加，当热处理温度达到氧化失重温度时，拉伸性能急剧下降。氧化处理温度400°C时，氧化处理时间对炭纤维的拉伸性能影响较小。4、以KCl-LiCl为熔盐体系，掺杂金属Ti制备ZrC/TiC复合涂层，涂层表面致密均一，涂层与炭纤维基体结合紧密。说明加入金属Ti对于改善ZrC/Zr涂层与炭纤维的界面性是非常有利的，并提高了涂层炭纤维的抗氧化温度。
李泽英[4]2014年在《碳纤维表面氧化行为及其对碳纤维增强树脂基复合材料性能的影响》文中研究说明摘要：未经处理的碳纤维表面呈现惰性,无法与树脂基体形成牢固的界面结合,因此碳纤维的表面氧化改性一直受到人们的高度关注。本文利用扫描电镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱仪、拉曼光谱仪、旋转流变仪等检测手段系统地研究了碳纤维在空气和HNO3/H2SO4混合酸中的氧化机理,制备了碳纤维增强环氧树脂基复合材料和碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料,并探讨了两种碳纤维的表面氧化方法对碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响,结论如下：(1)在空气氧化过程中,氧化温度的提高有利于碳纤维表面的—C-OH基团转变(?)为和-COOH基团,但对-CO32-基团含量影响不大。(2)在HNO3/H2SO4混合酸的氧化过程中,在氧化时间从1min升至30min时,碳纤维表面刻蚀程度不断加深。氧化处理30min时,碳纤维的表面粗糙度Ra从9.5nm提高到25.4nm。碳纤维的表面自由能随氧化处理时间延长而增加,处理15min后变化不明显。(3)在HNO3/H2SO4混合酸的氧化过程中,S-、N-含氧基团为过渡官能团最终转变为-COOH,当氧化时间为15min时,-COOH的浓度达到最大值。(4)当空气氧化温度从400℃升高到600℃,环氧树脂基复合材料的层剪切强度先增大后减小。当氧化温度为550℃时达到最大值,相比于未经过氧化处理的试样,层剪切强度从20.3MPa提高到36.9MPa。(5)根据聚酰亚胺不同升温速率下的DSC曲线,由Kissinger法和Ozawa法计算得到聚酰亚胺的的平均反应活化能E为118.188KJ/mol,平均反应级数n为0.932,得到了聚酰亚胺的固化动力学方程为：确定了最终固化温度为340℃,并且获得聚酰亚胺固化转变的TTT(时间-温度-固化度)图。(6)随着HNO3/H2SO4混合酸氧化处理时间的延长,碳纤维增强树脂基复合材料的层剪切强度先增大后减小,在15min时达到最大值,碳纤维增强环氧树脂基复合材料从未处理时的67.5MPa提高到87.8MPa,碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料从20.3MPa增加到38.8MPa。
参考文献：
[1]. C型炭纤维的制备及其阳极氧化表面处理机理的研究[D]. 王成忠. 北京化工大学. 2001
[2]. 短碳纤维增强镁基复合材料的制备及其性能的研究[D]. 任富忠. 重庆大学. 2011
[3]. 炭纤维表面碳化锆及其复合涂层的制备研究[D]. 韩飞飞. 武汉科技大学. 2012
[4]. 碳纤维表面氧化行为及其对碳纤维增强树脂基复合材料性能的影响[D]. 李泽英. 中南大学. 2014