碳纖維增強不飽和聚酯191復(fù)合材料性能的研究

1、 碳纖維增強不飽和聚酯191復(fù)合材料性能的研究學(xué)生姓名： 學(xué)號： 系 部： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 年 月 任務(wù)書論文題目 碳纖維增強不飽和聚酯191復(fù)合材料性能的研究 系部： 專業(yè)： 學(xué)號： 學(xué)生： 指導(dǎo)教師（含職稱）： 1課題意義及目標(biāo)以不飽和聚酯191為基體材料，碳纖維為增強材料，及相應(yīng)的配合劑，制得復(fù)合材料，對其力學(xué)性能和和相關(guān)性能進行研究，對復(fù)合材料界面的形成及作用機理進行研究。通過合理匹配及協(xié)同作用，可呈現(xiàn)出單一材料所不具備的優(yōu)異性能。討論加入碳纖維對不飽和聚酯191的增強效果，找到合適的碳纖維用量和合適的碳纖維處理時間。2主要任務(wù)1）硅膠模具的制作； 2）碳纖維的處理；3）制得復(fù)合

2、材料樣條，按照實驗所需制得不同規(guī)格的樣條；4）測試不飽和聚酯191固化溫度的變化來分析其固化時間等；5）進行力學(xué)基本性能測試和相應(yīng)結(jié)構(gòu)表征測試；6）用掃描電鏡等對其微觀結(jié)構(gòu)進行分析；7）對比實驗結(jié)果，得出結(jié)論。3. 基本要求1）認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)書籍，查閱中外文資料，制定出合理的實驗研究方案；2）認(rèn)真做好各環(huán)節(jié)實驗，做好實驗記錄，要求實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠；3）勤于思考，應(yīng)用所學(xué)的專業(yè)知識來解決實驗中遇到的問題；4）翻譯一篇與本課題相關(guān)的英文文獻；5）論文撰寫要求嚴(yán)格按照材料工程系“本科畢業(yè)論文格式要求”撰寫。4. 主要參考資料1 杜慧玲, 齊錦剛, 龐洪濤, 萬怡灶, 王玉林. 表面處理對碳纖維增強聚乳

3、酸材料界面性能的影響J. 材料保護, 2003.36(2):16-18.2 張文軍, 朱春宇. 不飽和聚酯樹脂改性研究進展J. 熱固性樹脂,2007.22(4): 41-42.3 季春曉, 劉禮華, 曹文娟. 碳纖維表面處理方法的研究進展J. 石油化工技術(shù)與經(jīng)濟, 2011. 27(2): 57-61. 5進度安排論文各階段名稱起 止 日 期1查閱文獻資料，分析任務(wù)書（開題報告）1月3日3月18日2購買原材料，制定實驗方案，技術(shù)路線 3月19日4月10日3材料制備，性能測試，結(jié)構(gòu)表征（中期檢查）4月11日5月18日4編寫、審核設(shè)計論文5月19日6月3日5完成畢業(yè)論文及答辯工作6月4日6月22日

4、審核人： 年 月 日不飽和聚酯增強不飽和聚酯191復(fù)合材料性能的研究 摘要：本論文用濃硝酸處理碳纖維增強191不飽和聚酯。通過測試復(fù)合材料的力學(xué)性能（拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度），研究了兩種情況（碳纖維用量不同和碳纖維表面處理時間不同）對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，復(fù)合材料的力學(xué)性能即拉伸強度，彎曲強度，沖擊強度均隨著碳纖維表面處理時間的增長而增強，其力學(xué)性能也隨著碳纖維的用量增加而增強。關(guān)鍵詞：碳纖維，不飽和聚酯，力學(xué)性能，表面處理- 1 -Unsaturated polyester reinforced unsaturated polyester composite materia

5、l properties of the 191 studyAbstract: This paper handling 191 carbon fiber reinforced unsaturated polyester with concentrated nitric acid. By testing the mechanical properties of the composites (tensile strength, flexural strength, impact strength), to study the two cases (the amount of carbon fibe

6、r and carbon fiber surface treatment different at different times) on the mechanical properties of the composites. The results show that the mechanical properties of the composite, tensile strength, flexural strength, impact strength decreased with increase of the carbon fiber surface treatment time

7、 increased, the mechanical properties are increased with the amount of carbon fiber is enhanced. Keywords: Carbon fiber, unsaturated polyester, mechanical properties, surface treatment- 2 -目 錄1前言11.1 不飽和聚酯11.1.1 概述11.1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r21.1.3 191號不飽和聚酯31.2 碳纖維41.2.1 概述41.2.2 碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能41.2.3碳纖維的表面處理方法51.3硅膠模

8、具81.3.1概述81.3.2硅膠的性能91.3.3硅膠模具的制作方法101.4研究目的及意義102 實驗部分112.1主要實驗原料和設(shè)備112.1.1主要實驗原料112.1.2主要試驗設(shè)備112.2實驗配方112.3試驗流程122.3.1實驗流程圖122.4力學(xué)性能的表征133結(jié)果分析143.1碳纖維處理時間不同時力學(xué)性能的分析153.2碳纖維不同用量時力學(xué)性能的分析203.3碳纖維取向與力學(xué)性能的關(guān)系224 結(jié)論24參考文獻25致謝26II1前言1.1 不飽和聚酯1.1.1 概述聚酯是主鏈上含有酯鍵的高分子化合物的總稱，是由二元醇或多元醇與二元酸或多元酸縮合而成的，也可從同一分子內(nèi)含有羥基

9、和羧基的物質(zhì)制得。不飽和聚酯樹脂，一般是由不飽和二元酸二元醇或者飽和二元酸不飽和二元醇縮聚而成的具有酯鍵和不飽和雙鍵的線型高分子化合物，簡稱UPR1?；ぴ系囊环N，常用于物體表面加厚、固化，使用時如同刷油漆一般，層層加疊，固化過程釋放有害氣體。 不飽和聚酯樹脂是熱固性樹脂中最常用的一種，它是由飽和二元酸、不飽和二元酸和二元醇縮聚而成的線形聚合物，經(jīng)過單體或活性溶劑稀釋形成的具有一定黏度的樹脂溶液，簡稱UPR。不飽和聚酯樹脂，一般是由不飽和二元酸二元醇或者飽和二元酸不飽和二元醇縮聚而成的具有酯鍵和不飽和雙鍵的線型高分子化合物。通常，聚酯化縮聚反應(yīng)是在190220進行，直至達到預(yù)期的酸值（或粘度

10、），在聚酯化縮反應(yīng)結(jié)束后，趁熱加入一定量的乙烯基單體，配成粘稠的液體，這樣的聚合物溶液稱之為不飽和聚酯樹脂2。 物理性質(zhì)不飽和聚酯樹脂的相對密度在1.111.20左右，固化時體積收縮率較大，固化樹脂的一些物理性質(zhì)如下： （1）耐熱性。絕大多數(shù)不飽和聚酯樹脂的變形溫度都在5060，一些耐熱性好的樹脂則可達120。紅熱膨脹系數(shù)1為（130150）×10-6。 （2）力學(xué)性能。不飽和聚酯樹脂具有較高的拉伸、彎曲、壓縮等強度。 （3）耐化學(xué)腐蝕性能。不飽和聚酯樹脂耐水、稀酸、稀堿的性能較好，同時，樹脂的耐化學(xué)腐蝕性能隨其化學(xué)結(jié)構(gòu)和幾何開關(guān)的不同，可以有很大的差異。 （4）介電性能。不飽和聚酸

11、樹脂的介電性能良好。 化學(xué)性質(zhì)不飽和聚酯是具有多功能團的，在其骨架主鏈上具有聚酯鏈鍵和不飽和雙鍵，而在大分子鏈兩端各帶有羧基和羥基。 主鏈上的雙鍵可以和乙烯基單體發(fā)生共聚交聯(lián)反應(yīng)，使不飽和聚酯樹脂從可溶、可熔狀態(tài)轉(zhuǎn)變成不溶、不熔狀態(tài)。 主鏈上的酯鍵可以發(fā)生水解反應(yīng)，酸或堿可以加速該反應(yīng)。若與苯乙烯共聚交聯(lián)后，則可以大大地降低水解反應(yīng)的發(fā)生。 在酸性介質(zhì)中，水解是可逆的，不完全的，所以，聚酯能耐酸性介質(zhì)的侵蝕；在堿性介質(zhì)中，由于形成了共振穩(wěn)定的羧酸根陰離子，水解成為不可逆的，所以聚酯耐堿性較差。 聚酯鏈末端上的羧基可以和堿土金屬氧化物或氫氧化物例如MgO，CaO，Ca(OH)2等反應(yīng)，使不飽和聚

12、酯分子鏈擴展，最終有可能形成絡(luò)合物。分子鏈擴展可使起始粘度為0.11.0Pa·s粘性液體狀樹脂，在短時間內(nèi)粘度劇增至103Pa·s以上，直至成為不能流動的、不粘手的類似凝膠狀物。樹脂處于這一狀態(tài)時并未交聯(lián)，在合適的溶劑中仍可溶解，加熱時有良好的流動性。1.1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r不飽和聚酯樹脂復(fù)合產(chǎn)品在我們的現(xiàn)實生活中很是常見。不飽和聚酯樹脂復(fù)合制品已經(jīng)滲入到國民經(jīng)濟建設(shè)和老百姓日常生活的各個領(lǐng)域。根據(jù)中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2010全球復(fù)合材料產(chǎn)量達900萬噸，中國以329萬噸的產(chǎn)量超越美國和日本，躍居世界第二，占全球總產(chǎn)量的36.5%。其中熱固性復(fù)合材料產(chǎn)量達23

13、8噸，熱屬性復(fù)合材料91萬噸，總價值約為1160億元人民幣。我國不飽和聚酯樹脂的產(chǎn)量從2005年的95萬噸增加到2010年的153萬噸，年均增長10.1%3。十一五期間我國不飽和聚酯樹脂產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)四大特點：（1）產(chǎn)能和產(chǎn)量大幅度增長，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化。（2）功能填料增強的澆鑄性不飽和聚酯樹脂消耗量增長迅猛。（3）兆瓦級復(fù)合材料風(fēng)電葉片成為繼纖維增強加砂管道之后我國復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的又一主要產(chǎn)品4。（4）不飽和聚酯產(chǎn)業(yè)整合重組已出現(xiàn)端倪3?？v觀不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料在世界范圍的發(fā)展，不飽和聚酯樹脂（UPR）作為熱固性玻璃鋼的基體材料，近20年來在全世界取得了迅速發(fā)展。全世界不飽和聚酯樹脂產(chǎn)量已達到

14、160萬噸，用于玻璃鋼的不飽和聚酯樹脂按75%比例測算，全世界用于玻璃鋼基體材料的不飽和聚酯樹脂產(chǎn)量在120萬噸以上。世界上不飽和聚酯樹脂的技術(shù)開發(fā)動向主要是通過樹脂改性和摻混等向降低樹脂收縮率，提高制品表面質(zhì)量，提高與添加劑的相容性，增強材料的浸潤作用以及提高加工性能和機械性能等方向發(fā)展5。1.1.3 191不飽和聚酯191系列不飽和聚脂樹脂，系由二元酸（酐）和二元醇（及其縮合物）經(jīng)酯化應(yīng)，縮聚成線性不飽和聚酯樹脂，然后經(jīng)具有交聯(lián)作用的活性單體溶劑（苯乙烯）所溶解而配制成的透明粘稠液體。在加入適量引發(fā)劑后，能在常溫下較快交聯(lián)固化，成為堅實的固體，可用來粘合多種金屬和非金屬材料，固化后具有良好

15、的耐水、耐腐蝕等性能。本型號聚酯樹脂，主要用于制造各種工藝品，也可用于粘接玻璃鋼制品、寶麗板或作為其它金屬、玻璃、陶瓷、木材等的粘合劑用。適用性廣，耐沖擊性好，可用于玻璃鋼制品，也可用于人造大理石的制作。191#聚酯樹脂是較典型的通用型樹脂。在160210經(jīng)縮聚而制得, 再加入阻聚劑、石蠟及苯乙烯、光穩(wěn)定劑等, 于7080下混溶后得到具有一定粘度的液體樹脂成品。這類樹脂能耐一般的腐蝕和一定的溫度。常用于制作耐溫、耐蝕要求不高的冷卻塔、貯槽及各種設(shè)備、管道等。生產(chǎn)工藝流程介紹：（1） 工藝流程如圖：丙二醇順 酐苯 酐160210阻聚劑主釜縮聚石 蠟7080光穩(wěn)定劑稀釋釜混溶苯乙烯成品圖1.1 流

16、程圖Figure 1.1 Flow chart（2）工藝控制參數(shù) 攪拌溫度：70；反應(yīng)溫度：160210，最佳反應(yīng)溫度190200；分餾柱頭溫度：105；加阻聚劑及石蠟的溫度：180190； 稀釋釜的混溶溫度：7080；反應(yīng)時間：1014小時；常壓下生產(chǎn)。產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo) 外觀：淡黃色透明液體；酸值：2737mgKOH/g；粘度（25）：25p ；膠凝時間（25）：1230min；固體含量：59%67%； 熱穩(wěn)定性：80下24小時或25下6個月。1.2 碳纖維1.2.1 概述碳纖維的特點兼具紡織纖維的柔軟可加工性它的本質(zhì)是微晶石墨材料抗拉強度在3500 GPa以上抗拉彈性模量230430GPa。碳

17、纖維是一種具有很高強度和模量的耐高溫纖維，為化纖的高端品種。碳纖維最早由美國聯(lián)合碳化物公司和美國空軍材料實驗室于1959年投產(chǎn)，原絲采用粘膠纖維。1962年，日本碳公司進行了通用級聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)。1971年日本東麗公司的高性能聚丙烯腈基碳纖維投產(chǎn)。瀝青基碳纖維是日本吳羽化學(xué)工業(yè)公司于1973年投產(chǎn)的。聯(lián)合碳化物公司生產(chǎn)了高模量瀝青基碳纖維。1985年,美國、日本及西歐的聚丙烯腈基碳纖維年生產(chǎn)能力共約有7.25kt，瀝青基碳纖維為1.28kt。1.2.2 碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能碳纖維是由有機纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維是一種

18、力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維復(fù)合材料抗拉強度一般都在3500GPa以上，是鋼的79倍，抗拉彈性模量為230430GPa亦高于鋼。因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000MPa/（g/cm3）以上，而A3鋼的比強度僅為59MPa/（g/cm3）左右，其比模量也比鋼高。材料的比強度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景。綜觀多種新興的復(fù)合材料（如高分子復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料）的優(yōu)異性能，不少人預(yù)料，人類在材料應(yīng)用上正從鋼鐵時代進入到一個復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的時代。碳纖維是含碳量高于9

19、0%的無機纖維。其中含碳量高于99%的稱石墨纖維。碳纖維的軸向強度和模量高，無蠕變，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕性好，纖維的密度低，X射線透過性好。但其耐沖擊性較差，容易損傷，在強酸作用下發(fā)生氧化，與金屬復(fù)合時會發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。因此，碳纖維在使用前須進行表面處理6。碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。傳統(tǒng)使用中碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨使用，多作為增強材料加入到樹脂、金屬、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維增強的復(fù)合材料可用作飛機結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業(yè)

20、機器人、板簧和驅(qū)動軸等。1994年至2002年左右，隨著從短纖碳纖維到長纖碳纖維的學(xué)術(shù)研究，使用碳纖維制作發(fā)熱材料的技術(shù)和產(chǎn)品也逐漸進入軍用和民用領(lǐng)域?，F(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)有使用長纖碳纖維制作國家電網(wǎng)電纜的使用案例多處。同時，碳纖維發(fā)熱產(chǎn)品，碳纖維采暖產(chǎn)品，碳纖維遠(yuǎn)紅外理療產(chǎn)品也越來越多的走入尋常百姓家庭。碳纖維是軍民兩用新材料，屬于技術(shù)密集型和政治敏感的關(guān)鍵材料。碳纖維廣泛用于民用，軍用，建筑，化工，工業(yè)，航天以及超級跑車領(lǐng)域。由于原料、模量、強度和最后的熱處理溫度不同，產(chǎn)生了特性不同的碳纖維，前者硬而脆的常用于復(fù)合材料，軟而柔順的常用于紡織；后者多被用于工程用料。由于碳纖維的應(yīng)用越來越多兼之其特性

21、，碳纖維強力拉伸性能測試的緊迫性擺在了我們面前。強伸性能試驗屬于破壞性的，試驗完畢試樣沒有可恢復(fù)性，又因為碳纖維分離成為單纖維以后非常脆弱，因此在每次試驗過程中，需要細(xì)心、耐心，試驗前不要對試樣造成損傷。一般試驗需要得到的技術(shù)指標(biāo)是CV值、平均值等。1.2.3碳纖維的表面處理方法國內(nèi)外對碳纖維的表面改性研究非?；钴S。碳纖維的表面改性主要目的是提高碳纖維表面活性, 強化碳纖維與基體樹脂之間界面性能, 達到提高復(fù)合材料層間剪切強度的目的7。目前表面處理改性的方法可以分為氧化法及非氧化法兩大類7。（1）氧化法氧化法又分為氣相氧化法、液相氧化法、氣液雙效氧化法、電化學(xué)氧化法。 氣相氧化法氣相氧化的介質(zhì)

22、是熱空氣或其中混合了一定量的空氣、O2、O3、CO2、CO、SO2、水蒸氣等氣體的混合氣體, 處理溫度一般在400600, 反應(yīng)時間根據(jù)碳纖維種類和所需氧化程度而定。氣相氧化是用氧化性氣體來氧化纖維表面, 從而引入極性基團, 并給予適宜的粗糙度來提高復(fù)合材料的剪切強度。氣相氧化法設(shè)備簡單, 反應(yīng)時間短, 易和碳纖維工業(yè)生產(chǎn)線銜接, 實現(xiàn)連續(xù)處理。碳纖維在氣相氧化的過程中, 隨時間的延長和溫度的升高, 強度會有損失, 但只要內(nèi)部結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化, 其表面刻蝕程度及比表面積會隨之增加, 有利于復(fù)合材料的界面結(jié)合。同時, 化學(xué)狀態(tài)的變化也會提高復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。但是由于氧化反應(yīng)激烈, 反應(yīng)條

23、件難以控制, 若溫度不能得到精確控制就有可能導(dǎo)致強度損失過大, 影響碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。 液相氧化法液相氧化法主要是將碳纖維浸入到某種氧化性溶液中, 通過氧化劑來氧化刻蝕碳纖維表面。液相氧化中使用的氧化劑種類很多, 如高錳酸鉀、過硫酸銨、次氯酸鈉和硫酸混合溶液、硝酸等。硝酸是液相氧化中研究較多的一種氧化劑, 用硝酸氧化碳纖維, 可使其表面產(chǎn)生羧基、羥基和酸性基團, 這些基團的量隨氧化時間的延長和溫度的升高而增多。當(dāng)溫度超過100和氧化時間超過2h,雖然含氧基團迅速增多, 但過度氧化導(dǎo)致纖維強度降低, 反而導(dǎo)致復(fù)合材料的性能降低。他們同時將液相氧化與熱空氣氧化處理作了比較, 發(fā)現(xiàn)熱空氣氧化

24、處理的纖維表面含氧基團明顯較少,不利于提高樹脂與纖維間的界面結(jié)合。采用液相氧化法氧化后的碳纖維表面所含的各種含氧極性基團和溝壑增多, 有利于提高纖維與樹脂之間的界面結(jié)合力。該法與氣相氧化法相比, 氧化情況較為溫和, 不易使纖維產(chǎn)生過度的刻蝕和裂解, 而且在一定條件下含氧基團數(shù)量比氣相氧化法的多, 所以處理效果比氣相氧化法好, 但由于采用的氧化劑均為強酸或強堿及其鹽類, 對設(shè)備的腐蝕嚴(yán)重, 很少用于工業(yè)化生產(chǎn)。 電化學(xué)氧化法電化學(xué)氧化法即陽極電解氧化法。它是以碳纖維作為陽極而浸在電解質(zhì)溶液中的碳電極充當(dāng)陰極, 電解液中含氧陰離子在電場作用下向碳纖維移動, 在其表面放電生成新生態(tài)氧, 繼而使其氧化

25、，生成羥基、羧基、羰基等含氧官能團, 同時碳纖維也會受到一定程度的刻蝕，產(chǎn)生了孔洞和溝槽，形成一定的粗糙度，從而增加了纖維與基體間的機械鍥合作用。采用電化學(xué)氧化法，合理選擇電化學(xué)氧化裝置是保證實施碳纖維有良好的表面處理效果的前提條件。在選擇電化學(xué)氧化裝置時，要考慮的因素包括陰極的材料、電解質(zhì)和電流的選擇。陰極的材料既要導(dǎo)電，又要耐腐蝕。石墨板具有良好的導(dǎo)電性能和耐腐蝕性, 在工業(yè)化生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。電解質(zhì)可用酸、堿或鹽類。例如，硝酸、硫酸、磷酸氫氧化鉀、氫氧化鈉、磷酸鉀硝酸鈉、碳酸銨、碳酸氫銨、碳酸二氫銨等。電化學(xué)氧化反應(yīng)條件緩和，處理時間短，因此可與碳纖維生產(chǎn)流水線銜接, 而且可以通過控制電

26、解溫度、電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、電流密度等工藝條件實現(xiàn)對氧化程度的精確控制，實現(xiàn)均勻氧化。由于增加了大量的含氧官能團和含氮官能團，提高了碳纖維與基體材料的浸潤性和反應(yīng)性，有利于改善碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，因此, 它是目前最具有實用價值的方法之一。（2） 非氧化法非氧化法分為氣相沉積法、電聚合法、偶聯(lián)劑涂層法、聚合物涂層法、晶須生長法、等離子體法等。 氣相沉積法近年來，用氣相沉積技術(shù)對碳纖維進行涂覆處理是碳纖維改性的一個重要方面, 在高模量結(jié)晶型碳纖維表面沉積一層無定性碳來提高其界面黏接性能，增加復(fù)合材料的層間剪切強度。氣相沉積處理法中采用的涂層技術(shù)主要有兩種：一種把碳纖維加熱到1200, 用甲烷-氮

27、混合氣體處理, 甲烷在碳纖維表面分解, 形成無定型碳的涂層, 處理后所得到的復(fù)合材料層間剪切強度可提高兩倍：另一種方法是先用喹啉溶液處理碳纖維, 經(jīng)干燥后在1600下裂解, 所得到的復(fù)合材料層間剪切強度可提高2倍。此外, 還可以用羧基鐵和醛等的熱解后的沉積物來提高界面性能。氣相沉積處理法是在碳纖維和樹脂的界面引入活性炭的塑性界面區(qū)來松弛應(yīng)力, 從而提高了復(fù)合材料的界面性能。但氣相沉積處理法所需溫度較高：有一定危險性, 且工藝條件苛刻, 未能實現(xiàn)廣泛的工業(yè)化應(yīng)用。 電聚合法電聚合法是在電場力的作用下使含有活性基團的單體在碳纖維的表面聚合成膜, 以改善其表面形態(tài)和組成。用碳纖維作陽極, 不銹鋼板作

28、陰極, 電聚合液可用含羧基共聚物的銨鹽水溶液。電聚合的基本歷程為: 帶有羧基的高聚物的陰離子在電場力的作用下向陽極的表面移動, 發(fā)生質(zhì)子化作用而沉積在其表面形成聚合膜。張復(fù)盛研究了用具有水溶性的烯類單體, 配成一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液, 在碳纖維上進行電聚合行為。發(fā)現(xiàn)經(jīng)電聚合處理之后的碳纖維單絲的拉伸強度、拉伸模量、以及斷裂伸長率都有明顯提高, 復(fù)合材料的層間剪切強度有了大幅度提高, 沖擊強度也有明顯改善。電聚合法采用苯乙烯馬來酸酐、甲基乙烯醚馬來酸酐、乙烯丙烯酸共聚物和烯烴馬來酸酐等,它們屬于熱塑性聚合物, 耐高溫性能差, 因而所制復(fù)合材料的高溫層間剪切強度和濕態(tài)層間剪切強度有不同程度下降。電聚合

29、的電壓比較低, 時間短, 可與碳纖維生產(chǎn)線相匹配, 只是工序較繁雜, 有的電聚合液不太穩(wěn)定, 不便連續(xù)操作。 偶聯(lián)劑涂層法偶聯(lián)劑涂層法所采用的偶聯(lián)劑為雙性分子, 它的一部分官能團與碳纖維表面反應(yīng)形成化學(xué)鍵, 另一部分官能團與樹脂反應(yīng)形成化學(xué)鍵。這樣偶聯(lián)劑就在樹脂與碳纖維表面起到一個化學(xué)媒介的作用, 將二者牢固地連在一起, 從而達到提高界面強度的目的。在對碳纖維進行偶聯(lián)劑涂層處理之前, 可采用空氣氧化處理。另外, 在對碳纖維進行偶聯(lián)劑涂層處理的同時, 對樹脂進行一定的處理也能進一步改善界面性能, 從而提高復(fù)合材料的綜合性能。偶聯(lián)劑涂層法提高復(fù)合材料中界面黏接性能的應(yīng)用非常廣泛, 用硅烷偶聯(lián)劑處理

30、玻璃纖維的技術(shù)已有較成熟的經(jīng)驗。但由于碳纖維表面的官能團數(shù)量及種類較少, 只用偶聯(lián)劑處理的效果往往不太理想。用偶聯(lián)劑處理碳纖維（低模量）可以提高碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的界面強度,但對高模量碳纖維效果不明顯。本論文試驗處理碳纖維用的是液體氧化法中的濃硝酸（60%65%）處理8。1.3 硅膠模具1.3.1概述硅膠（Silicon dioxide）別名硅橡膠，是一種高活性吸附材料，屬非晶態(tài)物質(zhì)，其化學(xué)分子式為mSiO2·nH2O。不溶于水和任何溶劑，無毒無味，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，除強堿、氫氟酸外不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。硅膠根據(jù)其孔徑的大小分為：大孔硅膠、粗孔硅膠、B型硅膠、細(xì)孔硅膠。各種型號的硅

31、膠因其制造方法不同而形成不同的微孔結(jié)構(gòu)。1.3.2硅膠的性能物性數(shù)據(jù) （1）性狀：白色粉末；（2）密度（g/mL,25/4）：未確定；（3）相對蒸汽密度（g/mL,空氣=1）：未確定；（4）熔點（ºC）：未確定；（5）沸點（ºC,常壓）：未確定；（6）沸點（ºC,5.2kPa）：未確定；（7）折射率：未確定；（8）閃點（ºC）：未確定；（9）比旋光度（º）：未確定；（10）自燃點或引燃溫度（ºC）：200度以上；（11）蒸氣壓（kPa,25ºC）：未確定；（12）飽和蒸氣壓（KPa,60ºC）：未確定；（13）燃燒

32、熱（KJ/mol）：未確定；（14）臨界溫度（ºC）：未確定；（15）臨界壓力（KPa）：未確定；（16）油水（辛醇/水）分配系數(shù)的對數(shù)值：未確定；（17）爆炸上限（%,V/V）：未確定；（18）爆炸下限（%,V/V）：未確定；（19）溶解性：不能溶于水。能耐鹽酸、硫酸、硝酸的浸漬，溶于氫氟酸和強堿溶液。有較強的機械強度，是極性吸附劑。硅膠生產(chǎn)工藝 硅膠的生產(chǎn)雖然大都經(jīng)過凝膠、洗滌、干燥這一共性，但具體到某一類型膠，又有工藝各異，相互區(qū)別的個性。1.3.3硅膠模具的制作方法開模形式的選擇和模線的選擇非常重要，一是為了取模方便，二是模線應(yīng)選在不影響產(chǎn)品的整體效果，三是不影響產(chǎn)品質(zhì)量，比

33、如水景系列產(chǎn)品的模線位置太高，封模線時要的料多，產(chǎn)品開裂就容易出現(xiàn)；四是減少流程操作工序，比如開一半模。為防止硅膠四處流動把模種用木方或木板固定在一個規(guī)則范圍中，開片模時用木板和油泥隔開先開的那一部分，要求油泥與模種間沒有縫隙，油泥表面光滑平整。在上述工作準(zhǔn)備完以后，接著在石膏模或模種上涂上凡士林或噴上脫模劑，光滑產(chǎn)品要求用干凈的純棉布沾上凡士林均勻地涂在模種上，保持30分鐘使模種充分吸收凡士林，再用干凈的純棉布把模種表面擦干凈，要求表面光亮；而有肌理的產(chǎn)品只要均勻地涂上凡士林就可以了按配方將硅膠調(diào)好。硅膠調(diào)配時應(yīng)按不規(guī)則方向進行攪拌，使固化劑和硅膠充分混勻，盡量減少空氣混入膠內(nèi)，光滑產(chǎn)品最好

34、在涂第一層膠時抽一次真空，真空度要求0.1Mpa時間保持78秒鐘。硅膠配好后應(yīng)及時制模。將膠液用滴流的方式倒在模種的最高部位，讓其自然流淌，流不到位的地方用油畫筆刷到位，如果是片模硅膠不但充滿整個產(chǎn)品而且膠泥上也要刷均勻。每一個產(chǎn)品至少刷三層硅膠每一層硅膠的厚度為1mm，在刷硅膠的過程中，要求每一層固化后才能刷另外一層，在刷第三層時要在第二層上面加一層紗布來增加硅膠的強度。整個模具硅膠部分根據(jù)產(chǎn)品的大小不同的要求厚度控制在34mm，寬度不大于產(chǎn)品寬度60 mm。硅膠開始凝固時間為20分鐘。1.4 研究目的及意義（1）論文研究的意義通過在不飽和聚酯191中加入濃硝酸處理過的碳纖維，討論碳纖維對不

35、飽和聚酯191的增強效果，找到合適的碳纖維用量和合適的碳纖維處理時間得以最大化的增強不飽和聚酯191。（2）論文研究的目的以不飽和聚酯191為基體材料，濃硝酸處理過的碳纖維為增強材料，及相應(yīng)的配合劑，制得復(fù)合材料，對復(fù)合材料的力學(xué)性能和相關(guān)性能進行研究，對復(fù)合材料界面的形成及作用機理進行研究。2 實驗部分2.1主要實驗原料和設(shè)備2.1.1主要實驗原料本實驗的主要原料如表2.1。表2.1 試驗原料Figure 2.1 Test raw materials化學(xué)名稱（縮寫）生產(chǎn)廠家191#不飽和聚酯（UPR）肥城德源化工有限公司2#引發(fā)劑（50%過氧化環(huán)己酮的鄰苯二甲酸二丁酯糊）肥城德源化工有限公司

36、2#促進劑（8%10%萘酸鈷的苯乙烯溶液）肥城德源化工有限公司碳纖維（CF）中科院山西煤化研究所濃硝酸（60%65%）西隴化工股份有限公司2.1.2主要試驗設(shè)備本實驗的主要設(shè)備如表2.2。表2. 2 實驗設(shè)備Figure 2.2 Experimental equipment設(shè)備型號生產(chǎn)廠家拉力試驗機LJ-500廣州試驗儀器廠制造沖擊試驗機XJJ-5河北承德試驗機廠數(shù)顯式液壓萬能試驗機WES-5長春試驗機廠烘箱DHG-9030A上海一恒科技有限公司2.2 實驗配方本實驗的基本配方如表2.3。表2. 3 實驗配方Figure 2.3 Experimental formula原料和試劑質(zhì)量份不飽和聚

37、酯(UPR)1002#引發(fā)劑（50%過氧化環(huán)己酮的鄰苯二甲酸二丁酯糊）2.52#促進劑（8%-10%萘酸鈷的苯乙烯溶液）2.5碳纖維(CF)變量2.3試驗流程（1）模具制作硅膠模具制作（2）硝酸處理碳纖維試驗處理碳纖維用的是液體氧化法中的濃硝酸（60%65%）處理。將碳纖維和濃硝酸按照質(zhì)量比15 混合攪拌, 在室溫15左右處理一定時間, 用去離子水沖洗至中性, 然后放到80烘箱內(nèi)烘干為止。其中處理時間分別為1h、4h、8h三組不等。（3）剪切碳纖維將分別進行了1h、4h和8h處理好的碳纖維分別剪成12mm和23mm。（4）澆鑄樣條按照配方稱取所需原料和試劑，按照：不飽和聚酯碳纖維引發(fā)劑促進劑

38、的加料順序加料，每加一樣藥品要攪拌均勻再加下一樣藥品。加料完成后靜置3min后進行刮氣泡，每隔兩分鐘刮一次，刮23次后進行澆注，澆注后再每隔2分鐘進行一次刮泡補料重復(fù)操作23次后放置在常溫下固化。固化24小時后在80下進行3小時的后處理。2.3.1實驗流程圖本實驗的流程如圖2.1。圖 2.1 試驗流程圖Figure 2.1 Test flow chart2.4力學(xué)性能的表征將澆鑄好的CF/UPR復(fù)合材料的樣條和空白試驗的樣條測出寬和厚，然后在萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速率為100mm/min，并記錄拉伸強度、拉伸彈性模量和拉伸斷裂伸長率。用沖擊試驗機測量無缺口沖擊強度。3結(jié)果分析3.1

39、碳纖維處理時間不同時力學(xué)性能的分析配方：不飽和聚酯：100 碳纖維：3(12mm) 引發(fā)劑：2.5 促進劑：2.5本實驗對碳纖維進行1、4和8的濃硝酸（60%65%）表面處理，然后對處理后的CF/UPR復(fù)合材料的力學(xué)性能進行了測試，結(jié)果見表3.1。表3.1 碳纖維處理時間和材料力學(xué)性能Table 3.1 Carbon fiber processing time and material mechanics performance碳纖維處理時間（h）148拉伸強度（MPa）28.629.230.9拉伸彈性模量（MPa）744.9760.0774.5拉伸斷裂伸長率（%）4.34.13.8沖擊強度（

40、J/）340.2346.8371.2復(fù)合材料的拉伸強度與碳纖維的處理時間關(guān)系如圖3.1。圖3.1 拉伸強度與纖維處理時間的關(guān)系曲線Figure 3.1 Tensile strength and fiber to the processing time relationship curve復(fù)合材料的拉伸斷裂伸長率與纖維處理時間的關(guān)系如圖3.2。圖3.2 拉伸斷裂伸長率與纖維處理時間的關(guān)系曲線Figure 3.2 Tensile elongation at break and fiber to the processing time relationship curve復(fù)合材料拉伸彈性模量與纖維處

41、理時間的關(guān)系如圖3.3。圖3.3 拉伸彈性模量與纖維處理時間的關(guān)系曲線Figure 3.3 Tensile elastic modulus and fiber processing time relationship curve復(fù)合材料沖擊強度與碳纖維處理時間的關(guān)系如圖3.4。圖3.4沖擊強度與碳纖維處理時間的關(guān)系曲線Figure 3.4 Impact strength and carbon fiber processing time relationship curve纖維質(zhì)量比相同（3%）的CF/UPR復(fù)合材料，拉伸強度隨著碳纖維處理時間的增長而略有提高，濃硝酸4小時處理后的拉伸強度比1小

42、時處理后拉伸強度的升高了2.10%，而碳纖維8小時濃硝酸處理后的拉伸強度比一小時的提升了8.04%；拉伸彈性模量隨著纖維處理時間的增長而增長，4小時比1小時處理后拉伸彈性模量提高了1.40%，8小時比1小時處理的升高了3.34%；拉伸斷裂伸長率隨纖維表面的處理程度略有降低，4小時比1小時的降低了4.65%，8小時處理比1h的降低了11.63%；而沖擊強度隨纖維的處理程度的增加而有所提高，4小時處理的比1小時處理的提高了1.94%，8小時比1小時的提高了9.12%。復(fù)合材料彎曲強度與碳纖維處理時間的關(guān)系如表3.2。表3.2 彎曲強度與纖維處理時間Table 3.2 Bending strengt

43、h and fiber to the processing time試樣無碳纖1h硝酸處理碳纖4h硝酸處理碳纖8小時硝酸處理碳纖彎曲強度(MPa)42.63541.55242.13144.273彎曲模量(MPa)353.01355.55362.24465.92試樣規(guī)定撓度(mm)4.724.514.264.18復(fù)合材料彎曲強度與碳纖維處理時間的關(guān)系如圖3.5。圖3.5 彎曲強度和纖維處理時間Figure 3.5 Bending strength and the fiber processing time復(fù)合材料彎曲強度與碳纖維處理時間的關(guān)系如圖3.6。圖3.6 彎曲模量和纖維處理時間Figur

44、e 3.6 Bending modulus and fiber processing time通過分析，彎曲強度和彎曲模量都是隨著碳纖維的處理時間的提高而提高，4小時比1小時處理的彎曲強度增加1.39%，8小時比1小時的彎曲強度增加6.55%。4小時比1小時處理的彎曲模量增加1.88%，8小時處理的比1小時處理的增加了31.04%但是1小時處理的碳纖維增強的不飽和聚酯的彎曲強度降低，可能是由于碳纖維有拔出現(xiàn)象或纖維與基體之間的粘結(jié)力不強形成缺陷。彎曲撓度隨著碳纖維處理時間和碳纖維的加入撓度減小。3.2碳纖維不同用量時力學(xué)性能的分析復(fù)合材料的力學(xué)性能與碳纖維用量關(guān)系如表3.3。表3.3 材料性能

45、與纖維用量Table 3.3 The material properties and fiber dosage纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）035710拉伸強度(MPa)12mm碳纖32.728.632.535.734.323mm碳纖32.731.734.237.633.2拉伸模量(MPa)12mm碳纖744.9749.5768.4792.6811.723mm碳纖744.9762.1780.2823.6855.1復(fù)合材料的力學(xué)性能與碳纖維用量關(guān)系如表3.7。圖3.7 拉伸強度與纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 3.7 Tensile strength and fiber quality score復(fù)合材料的力學(xué)性

46、能與碳纖維用量關(guān)系如圖3.8。圖3.8 拉伸彈性模量與纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 3.8 Tensile elastic modulus and fiber quality score試驗結(jié)果，拉伸強度隨著碳纖維含量的增加分別在3%以前出現(xiàn)略微降低的現(xiàn)象，在碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時的12mm長度的CF/UPR的拉伸強度為28.6MPa,比不加碳纖維的強度降低12.54%。23mm的CF/UPR在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時拉伸強度為31.7MPa，比不加碳纖維的降低3.06%。這主要是：一碳纖維的橫向強度很差，在碳纖維加入量少的時候，在基體樹脂中碳纖維縱向提高的拉伸強度不足以補償橫向碳纖維對樹脂強度的減弱，二

47、是少量的碳纖維加入，在樹脂基體中形成了一定的缺陷，強度有所下降。而隨著含量的繼續(xù)增加，纖維承受了主要應(yīng)力使拉伸強度開始增加，但是在纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到10%時強度下降，碳纖維密度較小，在相同質(zhì)量下，體積較大，當(dāng)填充量大于10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時已經(jīng)由于黏度大出現(xiàn)很多氣泡，致使拉伸強度下降。所以碳纖維的含量會由于黏度的過高而受到限制，不適合澆鑄成型。同樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳纖維，碳纖維長度越短，黏度越小，即碳纖維長度越小所能加進的碳纖維含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）越多。隨著基體內(nèi)纖維數(shù)量的增加，纖維承受了主要應(yīng)力，在纖維增強樹脂復(fù)合材料中，基體樹脂通過界面將應(yīng)力傳遞給高強度纖維，從而提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能樹脂主要起傳遞應(yīng)力的作用，所以復(fù)合材料的模量提升幅度增大。3.3碳纖維取向與力學(xué)性能的關(guān)系碳纖維的剪切長度與復(fù)合材料的拉伸、沖擊性能關(guān)系如表3.4。表3.12 纖維長度與拉伸、沖擊性能Table 3.12 Fiber length and stretching, impact performance沖擊強度（MPa）拉伸強度（MPa）12mm長CF338.431.467mm長CF322.033.5圖3.9 力學(xué)強度與纖維長度Figure