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1、博士學(xué)位論文碳纖維/乙烯基酯樹脂界面設(shè)計(jì)及其作用機(jī)理研究RESEARCHONINTERPHASEDESIGNOFCARBONFIBER/VINYLESTERRESINANDTHEINTERACTIONMECHANISM焦衛(wèi)衛(wèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2018年6月國(guó)內(nèi)圖書分類號(hào)：TG405學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書分類號(hào)：621.791密級(jí)：公開工學(xué)博士學(xué)位論文碳纖維/乙烯基酯樹脂界面設(shè)計(jì)及其作用機(jī)理研究博士研究生：焦衛(wèi)衛(wèi)導(dǎo)師：劉文博教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：材料學(xué)所在單位：材料科學(xué)與工程學(xué)院答辯日期：2018年6月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:TG405U.
2、D.C:621.791DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONINTERPHASEDESIGNOFCARBONFIBER/VINYLESTERRESINANDTHEINTERACTIONMECHANISMCandidate：JiaoWeiweiSupervisor：Prof.LiuWenboAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：SchoolofMaterialsSci.&Eng.Date
3、ofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料以輕質(zhì)、高強(qiáng)和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為汽車輕量化的首選替代材料。乙烯基酯樹脂的固化速率快，成型加工性能好，能夠滿足汽車零部件的生產(chǎn)需求。因此碳纖維增強(qiáng)乙烯基酯樹脂（CF/VE）復(fù)合材料在汽車輕量化中具有廣闊的應(yīng)用前景。但CF/VE復(fù)合材料界面的結(jié)合強(qiáng)度較低，影響了復(fù)合材料的整體性能。針對(duì)上述問題，本論文采用碳纖維表面接枝改性法、乙烯基酯樹脂共混遷移法和不飽和上漿劑處理三種方法對(duì)CF/VE復(fù)合材料的界面進(jìn)行
4、了改性，分析了不同界面的作用機(jī)理，建立了界面微觀結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料宏觀性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系。碳纖維表面的上漿劑為環(huán)氧上漿劑，其與乙烯基酯樹脂的分子結(jié)構(gòu)相近，但固化機(jī)理不同，導(dǎo)致CF/VE復(fù)合材料的界面缺乏化學(xué)鍵的連接，界面結(jié)合強(qiáng)度較低。通過碳纖維表面上漿劑接枝改性的方法在不影響碳纖維自身強(qiáng)度的前提下實(shí)現(xiàn)了纖維表面的乙烯基官能團(tuán)化。分子模擬結(jié)果表明，丙烯酰胺與碳纖維表面的單位原子結(jié)合能最強(qiáng)，與環(huán)氧上漿劑反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力最大。最終確定接枝改性劑為1.0%的丙烯酰胺水溶液，反應(yīng)條件為80℃下反應(yīng)10分鐘。接枝改性后，碳纖維與樹脂基體間形成化學(xué)鍵連接，復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度提高了78.65%?；谔祭w維
5、表面對(duì)丙烯酰胺分子的定向吸附作用，采用乙烯基酯樹脂共混遷移法對(duì)CF/VE復(fù)合材料的界面進(jìn)行了改性。建立了脫漿碳纖維/乙烯基酯樹脂和上漿碳纖維/乙烯基酯樹脂界面模型，分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了乙烯基酯樹脂與碳纖維表面的相互作用。結(jié)果表明，脫漿碳纖維與上漿碳纖維表面都形成了結(jié)構(gòu)與性能完全不同于樹脂基體的界面層，上漿碳纖維表面界面層的厚度大于脫漿碳纖維表面。在兩個(gè)界面層內(nèi)，丙烯酰胺都具有較大的濃度，結(jié)合樹脂基體及界面層中的元素組成，證明了丙烯酰胺向碳纖維表面的遷移。遷移驅(qū)動(dòng)力為來自纖維表面及其它樹脂單體的范德華力以及靜電相互作用的合力。動(dòng)力學(xué)模擬平衡后，兩種碳纖維與乙烯基酯樹脂的界面相互作用能
6、都明顯下降。在樹脂固化過程中，遷移到界面區(qū)域的丙烯酰胺分子能夠?qū)⑻祭w維與乙烯基酯樹脂通過化學(xué)鍵連接，提高復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，其中上漿碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度提高了83.96%。該方法能夠避免表面接枝改性對(duì)碳纖維加工性能的影響，提高界面化學(xué)鍵連接的均勻性。設(shè)計(jì)并制備了一種乳液型碳纖維不飽和上漿劑，上漿劑的主漿料N-(4,4'-二氨基二苯甲烷)-2-甲基丙烯酸羥丙酯（DMHM）由4,4'-二氨基二苯甲烷與甲-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文基丙烯酸縮水甘油酯通過化學(xué)反應(yīng)合成。分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)比分析了環(huán)氧上漿劑、接枝改性環(huán)氧上漿劑和不飽和上漿劑在界面的作用以及對(duì)界面性能的影
7、響。結(jié)果表明DMHM與碳纖維表面的結(jié)合強(qiáng)度最大，且在液態(tài)乙烯基酯樹脂中具有良好的溶脹作用。上漿處理后的碳纖維外觀和加工性能良好，表面極性官能團(tuán)的數(shù)量明顯增加，表面能增大了57.35%。復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度提高了96.56%。界面改性后，CF/VE復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度得到明顯提升，其中碳纖維表面接枝改性后提高了43.50%，乙烯基酯樹脂共混改性后提高了55.61%，不飽和上漿劑處理后提高了66.07%。界面改性后，復(fù)合材料的II型層間斷裂韌性也得到了明顯增強(qiáng)，采用接
