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碳纤维表面火焰处理可增加CF/PA6界面粘结强度

发表时间:2024-06-03 10:07:57  作者:超级管理员 阅读数:70

  碳纤维是机械性能较为强悍的一种新型材料,可与多种基体(树脂、金属、陶瓷等)相结合,加工制备成工业领域不可多得的高性能复合材料。不过了解过碳纤维的人应该知道,碳纤维本身具有较强的惰性,想要提高它与基体的结合效果,需要对之进行一定的表面处理,如上浆剂处理、表面氧化处理、纳米粒子改性处理或等离子体处理等。智上新材将结合国外专业论文,介绍另外一种碳纤维表面处理方法——火焰加热,该处理方式可以增加CF/PA6复合材料的界面粘结强度,从而提升复合材料整体性能。

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  碳纤维表面火焰处理过程和简述

  国外科研团队在针对树脂传递模塑(T-RTM)工艺对CF/PA6复合材料的相关实验中,发现对碳纤维织物进行表面火焰处理,可以去除水分,并提高碳纤维与PA6树脂基体之间的界面粘结强度。在碳纤维干燥环节,即便干燥12小时,也会因为碳纤维表面亲水性上浆剂的存在,导致碳纤维表面残留水分,最终影响复合材料性能,因此团队采用火焰加热的方式进行表面处理。后经分析认为,火焰处理增加了碳纤维的表面活化能,这是提高碳纤维和树脂基体界面强粘结强度的原因。

  实验中使用丙烷气体(C3H8)对碳纤维织物表面进行火焰处理,火焰处理在大气环境下进行,火焰温度为900°C,处理时间为5秒钟,处理距离为100mm,在每层碳纤维织物的两侧都进行加热操作。碳纤维表面火焰处理有严格的要求,尽可能降低火焰对碳纤维自身和上浆剂层的损害,实验中仅选用火焰处理后重量损失小于0.1%的碳纤维试样。

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  碳纤维表面火焰处理可增加CF/PA6界面粘结强度

  通过树脂传递模塑(T-RTM)工艺制备CF/PA6样品,并进行了拉伸试验,固化温度为120℃阶段时,对比了未经过和经过表面火焰处理的CF/PA6试样,可以直观的通过显微镜观察到微观图片中存在的差异。

  1、未经火焰处理(下图A):发生不均匀聚合,形成了未反应区域,拉伸至断裂后表面断裂模式有2种,分别是纤维拔出和层间剥离,这2种断裂模式的出现,归因于纤维和基体之间的界面粘结强度较低。分析原因发现,低粘结强度很可能是由碳纤维表面残留的水分引起,残留水分的存在干扰了复合材料的聚合过程,导致催化剂部分失效,从而影响复合材料性能。

  2、经过火焰处理(下图B):同样在120℃温度下,固化反应顺利进行,拉伸至断裂后未出现纤维拔出和层间剥离的情况,表明火焰处理有效的去除了碳纤维表面的水分,处理后表面自由能明显增加,直接提升了纤维和基体之间的界面粘结强度。

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  再通过观察CF/PA6试样在火焰处理前后的应力-应变曲线(上图C),可以发现火焰处理显着提高了碳纤维与PA6基体之间的界面粘结强度,使得CF/PA6复合材料在拉伸载荷下没有发生剥离和纤维拔出断裂。通过微观图和应变曲线都可以证实,表面火焰处理确实是有利于制备CF/PA6复合材料的重要方式。


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