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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(kāi)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(wèn)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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
