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1、碳纤维增强环氧树脂基复合碳纤维增强环氧树脂基复合材料研究进展材料研究进展黄洪亮黄洪亮1072132510721325 高性能塑料与工程高性能塑料与工程2011.01.131 1.碳纤维表面处理碳纤维表面处理 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 2011.01.132.复合体系及其特点复合体系及其特点6. EPCF复合材料的应用复合材料的应用5.EPCF复合材料的界面结构表征方法复合材料的界面结构表征方法4.EPCF复合材料的成型工复合材料的成型工艺艺3.EP/CF复合材料的增强机理复合材料的增强机理220世世纪70年代以前，年代以前，EP/CF复合材料被复合材料被视为昂昂贵的材料，价的材料，价格
2、格约为玻璃玻璃纤维(GF)增增强复合材料复合材料的的10倍，只用于倍，只用于军工、宇航等尖端技工、宇航等尖端技术行行业。20世世纪80年代以后，年代以后，CF工工业和和EP工工业迅迅速速发展，展，EP/CF复合复合技技术不断不断进步，加步，加入到入到EP中的中的CF比例比例不断上升不断上升。 目前目前CF的体的体积分数已分数已可达可达60以上，使以上，使EP/CF复复合材料的合材料的质量提高而价格下量提高而价格下降，拓降，拓宽了其了其应用用领域，域，进一步促一步促进了了EP/CF复合材料复合材料的的发展。展。 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 背景背景介介绍2011.01.13EP/CF复合材
3、料的发展：复合材料的发展：3 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第一部分：碳第一部分：碳纤维表面表面处理理2011.01.13 提高碳纤维增强复合材料提高碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体的结合强度。中碳纤维与基体的结合强度。途径：途径： 清除表面杂质；在纤维表面形成微孔或清除表面杂质；在纤维表面形成微孔或刻蚀沟槽，从类石墨层面改性成碳状结构以刻蚀沟槽，从类石墨层面改性成碳状结构以增加表面能；引进具有极性或反应性官能团；增加表面能；引进具有极性或反应性官能团；形成能与树脂起作用的中间层。形成能与树脂起作用的中间层。4气相氧化法气相氧化法液相氧化液相氧化法法阳极氧化阳极氧化法法等离子体等离子体氧化
4、法氧化法表面涂表面涂层改性法改性法 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第一部分：第一部分： 碳碳纤维表面表面处理理2011.01.1352011.01.13W.H. Lee et al. / Applied Surface Science 171 (2001) 136-142 气相氧化法是将碳纤维暴露在气相氧化剂中，在加温、加催化剂等特殊条件使其表面氧化生成一些活性基团。 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第一部分第一部分： 碳碳纤维表面表面处理理气相氧化法气相氧化法：6 采用液相介质对碳纤维表面进行氧化的方法。常用的液相介质有浓硝酸、混合酸和强氧化剂等。 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第
5、一部分第一部分： 碳碳纤维表面表面处理理2011.01.13液相氧化法液相氧化法：7赵东赵东宇宇,李滨耀李滨耀,余余赋赋生生.碳纤维碳纤维表面的液相氧化处理改表面的液相氧化处理改性性J应用化学，应用化学，1997，(4)：11 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第一部分第一部分： 碳碳纤维表面表面处理理2011.01.13 把碳纤维作为电解池的阳极、石墨作为阴极，在电解水的过程中利用阳极生成的氧，氧化碳纤维表面的碳及其含氧官能团，将其先氧化成羟基之后逐步氧化成酮基、羧基和CO2的过程 。阳极氧化法阳极氧化法：8夏丽刚夏丽刚 ,李李爱菊爱菊 ,阴阴 强强 ,王威强王威强; 碳纤维碳纤维表面处理及
6、其对表面处理及其对碳纤维碳纤维/树脂树脂界面影响的界面影响的研研究究;材料材料导报导报 ,2006(5)：254-257 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第一部分第一部分： 碳碳纤维表面表面处理理 利用非聚合性气体对材料表面进行物理和化学作用的过程。等离子体氧化法等离子体氧化法：9DilsizN,Ebert E,Weisweiler W.Effect of plasma polymerization on carbon fibers used for fiber/epoxyComp JColloid Interf Sci，1995，170：241 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第一部分第
7、一部分： 碳碳纤维表面表面处理理2011.01.13 将某种聚合物涂覆在碳纤维表面，改变复合材料界面层的结构与性能，使界面极性等相适应以提高界面粘结强度，同时提供一个可消除界面内应力的可塑界面层。表面涂表面涂层改性法改性法：10 西北工业大学材料科学与工程学院曾金芳等采用活性活性涂层涂层、刚性涂层刚性涂层和柔性涂层，分别对柔性涂层，分别对HTAP30HTAP30碳纤维进行表碳纤维进行表面处理面处理活性活性涂层可显著改善复合材料的剪切性能，涂层可显著改善复合材料的剪切性能，而且涂层浓度对性能的影响非常敏感，当浓而且涂层浓度对性能的影响非常敏感，当浓度为度为1-2时，剪切强度可以提高时，剪切强度可
8、以提高20。结结果果果果曾金芳曾金芳.乔生儒乔生儒.丘哲明等丘哲明等.纤维纤维表面处理对碳纤维复合材料表面处理对碳纤维复合材料剪切性能影响剪切性能影响固体火箭固体火箭技术，技术，2002，25(4)：4549 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第二部分第二部分： 复合材料基本特点复合材料基本特点2011.01.13与与与与钢钢相比：相比：相比：相比：EP/CF复合材料的比复合材料的比强度度为钢的的4.87.2倍，比模量倍，比模量为钢的的3.14.2倍，疲倍，疲劳强度度约为钢的的2.5倍、倍、铝的的3.3倍。倍。而且高温性能好，工作温度达而且高温性能好，工作温度达400时其其强度与模量基本保持不
9、度与模量基本保持不变。此外此外还具有密度和具有密度和线膨膨胀系数小、耐腐系数小、耐腐蚀、抗蠕、抗蠕变、整体性好、抗分、整体性好、抗分层、抗冲抗冲击等，在等，在现有有结构材料中，其比构材料中，其比强度、比模量度、比模量综合指合指标最高。最高。在加工成型在加工成型过程中程中EP/CF复合材料具有易大面复合材料具有易大面积整体成型、成型整体成型、成型稳定等独特定等独特的的优点。点。EP/CF复合材料具有优异的复合材料具有优异的性能性能：11常常规的的CF：表面平滑表面平滑活性官能活性官能团少表面少表面能能低低，呈呈现表面化学惰性表面化学惰性，与与EP基体浸基体浸润性性较差，复合材料界面差，复合材料界
10、面黏合力黏合力较弱。弱。 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第三部分：第三部分：增增强机理机理2011.01.1312EP/CF复合材料的增强复合材料的增强机理机理：因此，需要因此，需要对CF表面改性表面改性处理，提高理，提高其与基体其与基体树脂的黏脂的黏结性，性，进而提高复而提高复合材料的性能。合材料的性能。其表面石墨其表面石墨层面面边缘较大面大面积氧化，氧化，边缘活性点数量增加活性点数量增加，致，致使使凹凸不平的表面更凹凸不平的表面更有利于与有利于与EP基体的基体的键合，使复合材料的剪合，使复合材料的剪切性能提高。切性能提高。同同时，其表面能增加，其表面能增加，显著改善了著改善了CF与基体
11、与基体间的的润湿性，接触角湿性，接触角减小，表面呈减小，表面呈现亲液液性。性。另外，另外，经过处理后，理后，其表面出其表面出现了大量的了大量的羟基、基、羧基、基、醌类等等官能官能团，提高了，提高了CF表表面的极性、增面的极性、增强体与体与EP基体之基体之间的的润湿性湿性和它和它们的黏的黏结程度。程度。 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第四部分：第四部分：复合成型工复合成型工艺2011.01.13手糊成型树脂传递成型真空袋法成型树脂膜熔浸成型预浸料成型拉挤成型13 EP/CF复合材料的复合成型复合材料的复合成型工艺工艺: 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第四第四部分：部分：复合成型工复合成型
12、工艺2011.01.1314手糊手糊成型成型：孙酣经化工新型材料，孙酣经化工新型材料，1998(4)：4244 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第四第四部分：部分：复合成型复合成型工工艺2011.01.1315树脂树脂传递成型传递成型：马青松，等材料科学马青松，等材料科学与与工工程程，2000，18(4)：9297 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第四第四部分：部分：复合成型工复合成型工艺2011.01.1316真空袋法真空袋法成型成型：李斌太，等航空材料学报，李斌太，等航空材料学报，2006，26(3)：22222 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第四第四部分：部分：复合成型工复合成型
13、工艺2011.01.1317树脂膜熔浸树脂膜熔浸成型成型：陈立军，等：环氧树脂碳纤维复合材料的成型工艺与陈立军，等：环氧树脂碳纤维复合材料的成型工艺与应用，应用，工程工程塑料塑料应用，应用，2007（35）：）：77-79 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第四第四部分：部分：复合成型工复合成型工艺2011.01.1318预浸料预浸料成型成型： 预浸料高压釜法示意图张彦中纤维复合材料，张彦中纤维复合材料，1997(1)：2630 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第四第四部分：部分：复合成型工复合成型工艺2011.01.1319拉挤拉挤成型成型：Wingard C DThemlochimiea
14、 Acta，2000，357358：293301 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第五部分：第五部分：界面界面结构表征方法构表征方法2011.01.1320EP/CF复合材料的界面结构表征复合材料的界面结构表征方法方法：l电镜分析扫描电子显微镜(SEM )透射电子显微镜(TEM )扫描隧道显微镜(STM )原子力显微镜(AFM ) l谱学分析离子散射谱( ISS)二次离子质谱(SIMS)俄歇电子谱(AES)X射线光电子谱(XPS)卢瑟福背散射(RBS)红外光谱(IR)紫外光谱(UV) 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 第第六六部分：部分：复合材料复合材料的的应用用2011.01.1321EP
15、CF复合材料的复合材料的应用应用：Experimental study of mechanical and electrical properties of carbon nanofiber/epoxy composites碳纳米纤维碳纳米纤维/ /环氧树脂复合材料的环氧树脂复合材料的机械性能和电性能的实验研究机械性能和电性能的实验研究22 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 文献部分文献部分2011.01.13Smrutisikha Bal；Experimental study of mechanical and electrical properties of carbonnanofiber
16、/epoxy composites；Materials and Design 31 (2010) 24062413l CNF(0.5 wt.%, 0.75 wt.% and 1 wt.%）增强EP 不同含量的碳纳米纤维对环氧树脂的增强效果l 将复合材料分别在室温环境下固化（23）和在冷冻环境下固化（4） 不同的固化方式对复合材料性能的影响23 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 文献部分文献部分2011.01.131.Purpose:2.1. Materials环氧树脂、固化剂、碳纳米纤维(CNFs)2.2. Preparation of composites24 高性能塑料与工程高性能塑料与工
17、程 文献部分文献部分2011.01.132. Materials and methodsu机械性能 弯曲性能 硬度u电性能拉曼光谱电镜 透射电子显微镜（TEM） 扫描电子显微镜 （SEM）25 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 文献部分文献部分2011.01.132.3.characterization26 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 文献部分文献部分2011.01.133. Results and discussion3.1. Bending experiments27 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 文献部分文献部分2011.01.133.2. Hardness results28
18、 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 文献部分文献部分2011.01.133.3. Electrical measurement29 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 文献部分文献部分2011.01.133.4. Raman spectroscopyFig. 8. Raman spectra of (a) room temperature and (b) Refrigerated nanocomposites.30 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 文献部分文献部分2011.01.133.5. Electron microscopic studyFig. 9. Dispersion of CNF
19、s in epoxy matrix (inside arrows indicate agglomeration) in (a) C1.0 and (b) RC1.0.31 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 文献部分文献部分2011.01.13Fig. 10. Fracture surface of CNF/epoxy composites of (a) C1.0 and (b) RC1.0.32 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 文献部分文献部分2011.01.13Fig. 11. (a) Fracture surface of epoxy matrix E and (b) Interacti
20、on between matrix and carbon nanofiber in nanocomposite C1.0.33 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 文献部分文献部分2011.01.13Fig. 12. Fracture surface of C1.0 sample (a) along x-direction showing horizontal alignment of fibers; (b) along z-direction showing vertical alignment of fibers.34 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 文献部分文献部分2011.01.13F
21、ig. 13. Network formation (inside arrow pointing the region) of sample C1.0 observed by (a) SEM and (b) TEM. 少量的CNFs（0.5%1%）就可以使环氧树脂复合材料的机械性能和电性能得到改进。 低温环境下固化的CNFs/EP复合材料更有利于CNFs的分散，能更好的增强复合材料的弯曲模量和硬度。 加入CNFs后绝缘体环氧树脂呈现出半导体的导电特性。 室温条件下固化的CNFs/EP复合材料,其导电性随CNFs含量的增加而更好；而冷冻环境下固化的则呈现相反的趋势。35 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 文献部分文献部分2011.01.134.conclusionThe end 36 高性能塑料与工程高性能塑料与工程 文献部分文献部分2011.01.13
