高性能碳纤维增强复合材料材料科学与工程专业本科生

哈尔滨工程大学本科生毕业论文.68由4.5至4.6，碳纤维CCF300、T300、T800与TDE85环氧树脂的界面剪切强度值依次为64.15、66.02、79.68MPa，这表明TDE85环氧树脂与碳纤维表面粘结良好，充分发挥了纤维优异的强度性能，尤其是对高强度的T800碳纤维；相对T800单纤维复合材料，T300、CCF300单纤维复合材料界面强度要小得多。4.2.2埋入长度与最大脱粘力的关系以T800/TDE85体系单纤维复合材料为例，树脂小球脱粘时，最大脱粘力与包埋长度存在一定的线性关系，如图4.7所示。图4.7包埋长度L与最大脱粘力F关系曲线随着包埋长度的增加，最大脱粘力逐渐增大。当埋入长度在一定范围脱粘时，其应力状态可看作不变，但是曲线不会无限地线性增加。因为当埋入长度超过一定值时，测试中的纤维极易发生断裂，而此时小球并未脱粘。因此存在一个临界包埋长度，当埋入长度大于该临界长度时，随着埋入长度的增加，最大脱粘力将不再发生变化[46]。埋入长度过短，树脂基体在碳纤维表面铺展时形成的微球直径小，上下刀口难以夹持，测试时易滑脱；而埋入长度过长，纤维环氧树脂间剪切强度超过了碳纤维单丝拉伸强度，此时碳纤维发生断裂取代微球脱粘成为主要的破坏方式。用微脱粘法测界面剪切强度时，选取测试的包埋长度宜控制在40~70μm。4.2.3界面强度影响因素CF/TDE85界面强度由大到小的顺序为：T800、T300、CCF300，与第三章的XPS结果比较可得，其与碳纤维表面含氧官能团的含量是一致的，即与CF/TDE85界面化学键合作用强弱相一致，说明其界面强度的重要影响因素是碳纤维表面的含氧官能团。与复合材料宏观力学实验相比，微复合材料实验已经能够直接定量或半定量的测出界面强度，并且有些实验值已被用于复合材料宏观设计和估算损伤、残余刚度及寿命的研究等方面。但是其试样制备及实验技术较为困难和复杂，需要测量大量的数据才能得到可信值；另外，实验采用的样品属于单纤维复合材料，其成型条件与真实复合材料工艺存在差异，由此形成的界面与实际复合材料界面的性质存在一定差异。4.3本章小结(1)采用DCT21动态接触角测量仪获得了三种纤维与复配TDE85环氧树脂的接触角，结果表明，TDE85环氧树脂能够较好地润湿三种纤维。(2)依据部分极性理论，获得三种纤维的表面能。三种纤维与树脂的接触角由大到小顺序是CCF300、T800、T300，而其表面能由大到小顺序是T300、T800、CCF300；两者对比可以看出：碳纤维表面能越大，其与TDE85接触角就越小，润湿性就越好(3)T800/TDE85体系的界面强度值高达79.68MPa，TDE85环氧树脂与碳纤维表面粘结良好，充分发挥了T800优异的强度性能。最大脱粘力与纤维在树脂小球中的包埋长度有一定的线性关系。选取进行测试的微滴包埋长度在40~70μm。(4)与第三章XPS和本章界面性能结果比较分析，基体润湿纤维表面是形成良好界面的先决条件；单纤维复合材料的界面强度随着纤维表面含氧官能团含量的增加而提高。这是因为含氧官能团一方面改善了纤维表面的极性，增大了纤维的表面能，提高了基体与其润湿性；另一方面，可与环氧树脂基体的化学官能团发生化学作用，形成强的结合界面。由此可知，界面化学键合作用是界面强度的重要影响因素

结论本课题以T800为研究对象，采用微滴脱粘的方法测试其与TDE85环氧树脂的复合材料界面剪切强度，并与日本东丽公司生产的T300碳纤维和国产的CCF300进行对比分析，以此表征T800复合材料的界面性能，并分析影响其界面性能的因素，为材料结构及工艺优化设计奠定基础。(1)碳纤维XPS分析结果表明：国产CCF300碳纤维表面只含有C、O两种元素，而T300、T800在此基础上，还含有N、Cl等元素；碳纤维表面含氧官能团T800含量最高，T300次之，CCF300最低，仅为23.28%，这些含氧官能团大部分为醚键，也有少部分的羧基和酯基；它们改善了碳纤维的表面极性，增加了纤维的活性，提高了纤维的表面能。碳纤维与TDE85环氧树脂复合后，界面只含有C、O、N三种元素，且界面产生了较强的物理和化学作用，形成了性能较好的界面。(2)三种纤维与树脂的接触角由大到小顺序是CCF300、T800、T300，而其表面能由大到小顺序是T300、T800、CCF300；两者对比可以得出：碳纤维表面能越大，其与TDE85接触角就越小，润湿性就越好。(3)在确定树脂的固化制度、测试速度、刀口的位置及适当的包埋长度的情况下，测量碳纤维与TDE85环氧树脂的界面强度。微脱粘测试结果显示：高性能T800碳纤维与TDE85环氧树脂形成了较好的界面结合，T300与CCF300强度值相差不大，其界面结合状况比T800/TDE85体系差，这说明，TDE85充分发挥了T800的高强度这个优异性能。(4)将界面强度与XPS和润湿性结果分析可得，基体能润湿纤维表面是形成良好界