2019,Vol郾33,No郾12摇www.mater鄄rep.com
基于碳纳米管界面改性的碳纤维复合材料抗酌辐射性能研究
闫民杰,刘梁森,陈摇莉,刘丽研,荆妙蕾,徐志伟,姜亚明,傅宏俊
天津工业大学纺织学院先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津300387
为研究碳纳米管(CNTs)界面改性对碳纤维/环氧复合材料(CF/EP)抗辐照性能的影响,采用电泳沉积法将CNTs引入到CF/EP界面区域(CF鄄CNTs/EP)中,然后分别对CF/EP和CF鄄CNTs/EP进行酌射线辐照处理(酌鄄CF/EP和酌鄄CF鄄CNTs/EP),并对复合材料的力学性能、热学性能、耐疲劳性能和官能团变化等特性进行分析。结果表明:由于CNTs的存在,酌鄄CF鄄CNTs/EP的储能模量、玻璃化转变温度、弯曲强度和弯曲模量分别比酌鄄CF/EP高7郾8GPa、4郾53益、280MPa和19郾2GPa;酌鄄CF鄄CNTs/EP的耐疲劳性能优于酌鄄CF/EP;XPS测试发现酌鄄CF鄄CNTs/EP内部C鄄C键的含量急剧减少10郾88%,C鄄N键和C鄄O键的含量分别增加5郾97%和4郾44%,而酌鄄CF/EP无明显变化。结合断面形貌分析和裂纹扩展模型,讨论了CNTs增强复合材料抗酌射线辐射的微观结构和增强机制。以上结果证实,CNTs界面区域改性可以有效提升CF/EP的抗辐射性能。关键词摇摇复合材料摇抗辐射摇碳纳米管摇界面改性摇碳纤维中图分类号:TB332摇摇文献标识码:A
Anti鄄gammaRadiationPropertiesofCarbonFiberCompositesModifiedbyCarbonNanotubesinInterface
YANMinjie,LIULiangsen,CHENLi,LIULiyan,JINGMiaolei,XUZhiwei,JIANGYaming,FUHongjun
KeyLaboratoryofAdvancedBraidedComposites,MinistryofEducation,SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387
nordertostudytheeffectofcarbonnanotubes(CNTs)ontheanti鄄irradiationpropertiesofcarbonfiber/epoxycomposites(CF/EP),CNTswereintroducedintotheCF/EPinterfaceregion(CF鄄CNTs/EP)byelectrophoreticdeposition.Thecompositeswerethensubjectedto酌rayirradiation(酌鄄CF/EPand酌鄄CF鄄CNTs/EP),andtheirpropertiessuchasmechanics,heat,fatigueresistanceandfunctionalgroupchangeswereanalyzed.Theresultsshowedthatthestoragemodulus,glasstransitiontemperature,flexuralstrengthandflexuralmodulusof酌鄄CF鄄CNTs/EPwerehigherthanthoseof酌鄄CF/EPby7郾8GPa,4郾53益,280MPaand19郾2GPa,respectively.Thefatigueresistanceof酌鄄CF鄄CNTs/EPwasbetterthanthatof酌鄄CF/EP.TheXPStestrevealednosignificantchangein酌鄄CF/EP,whiletheinternalC鄄Cbondcontentof酌鄄CF鄄CNTs/EPde鄄creasedsharplyby10郾88%,andC鄄NandC鄄Oincreasedby5郾97%and4郾44%,respectively.Combinedwithscanningelectronmicroscopyandcrackpropagationmodels,themicrostructureandenhancementmechanismsofCNTs鄄reinforcedcompositesforanti鄄gammaradiationaredis鄄cussed.TheaboveresultsconfirmthattheadditionofCNTsintotheinterfaceregionofCF/EPcaneffectivelyimproveitsradiationresistance.Keywords摇摇composite,radiationresistance,carbonnanotubes,interfacemodification,carbonfibers
I
0摇引言
近几十年来,航空航天工业的发展非常迅速,但由于宇宙空间中存在各种各样的辐射损害因子(例如酌射线、高速质子、电子束、紫外线辐射等,其中高能量酌射线对材料造成的损伤巨大),人们对材料的要求更苛刻
[1鄄4]
能降低,尤其是界面区域[12鄄14]。增强纤维和基体环氧树脂之间的界面区域犹如人的心脏,两种材料通过少量官能团的化学反应形成化学键以及范德华力结合到一起,存在结合不充分和空隙等问题,容易引起基体的硬化和纤维周围的应力集中,而且当材料受到高能量酌射线穿透时,界面区域结合较弱的化学键会被破坏[14鄄16]。
碳纳米管(CNTs)由于具有非凡的物理和化学性质(例
氧树脂基复合材料(CF/EP)具有优异的抗辐射和抗疲劳性能以及良好的模塑成型性,被越来越多地应用于航空航天工业[5鄄8]。
碳纤维(CFs)被选择作为复合材料的结构和功能材料,
。碳纤维增强环
如力学性能、热性能和抗辐射性能等),已在许多领域得到应用,而且在受到酌射线照射后表现出更大的比表面积和孔体积,表面官能团发生重排、重建[17鄄19]。另外,CNTs在受到酌射线辐射时,表面自由基含量降低;同时随着CNTs浓度的增加,自由基含量也降低,这些特性为改善CFs和树脂的结合能力以及提升复合材料的抗辐射性能提供了可能[20]。因此,为提升CF/EP的抗辐射性能,选择CNTs作为改性剂和自由基清除剂,不仅可以有效抑制界面区域微裂纹的产生和传播,还能吸收酌射线辐照产生的自由基,从而减少树脂的降解[21]。CNTs会在复合材料中形成梯度分布,即CFs表面物理吸附的CNTs在制备复合材料的过程中会
这是因为其具有优异的力学性能、热稳定性和耐辐射性等,而且能与基体环氧树脂(EP)很好地结合。然而,在高温炭化/石墨化制造过程中碳纤维表面为非极性结晶石墨,化学官能团较少,表现为化学惰性[9鄄11]。一些研究发现EP作为先进CF/EP的基体材料具有优异的机械强度、热稳定性、流动性以及良好的抗辐射性等。基于纤维与树脂的物理和化学特性,两者能够很好地结合,相互粘结,形成CF/EP,但当CF/EP暴露于高能量酌射线辐照时,CF/EP的物理和化学性
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摇基金项目:国家自然科学基金(11575126;U1533123);天津市自然科学基金(16JCYBJC17700)
摇ThisworkwasfinanciallysupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(11575126,U1533123),TianjinNaturalScienceFund
(16JCYBJC17700).摇xuzhiwei@tjpu.edu.cn
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DOI:10郾11896/cldb郾18120140
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