摘 要

碳纤维复合材料基体与纤维之间的界面质量决定了载荷从基体转移到碳纤维的方式，其对复合材料机械性能影响很大。树脂基体和纤维界面的匹配可以有效改善碳纤维与基体树脂之间界面粘合强度，是提高复合材料力学性能的关键因素。论文主要通过调整AG-80/双酚F树脂基体配方，来达到增强界面性能的目的。

首先，采用SEM和FT-IR、Raman、XPS对碳纤维表面的物理和化学性质进行测试，分析其表面化学成分与官能团分布。研究表明：T800碳纤维表面存在有许多具有化学活性的碳原子和可以与树脂相互作用的基团，其中C-O、C=O 两种官能团的含量分别为45.9%，3.0%，其余为C-C官能团。

然后，测试了T800碳纤维与环氧树脂的接触角。研究表明：随着双酚F的质量百分数的增加，接触角不断降低，当双酚F的质量百分数增大到60% 时，接触角从83.7°降至82.3°，继续增大双酚F的浓度，接触角变化不明显。

最后，通过单丝断裂实验，测试纤维与基体界面的剪切强度。研究表明：随着双酚F的质量百分数的增大，树脂与纤维的界面剪切强度先增大后减小，当双酚F的质量百分比增大到60%时，此时的剪切强度最大，最大剪切强度为20.6 MPa。

关键词：碳纤维，复合材料界面，接触角，单丝断裂实验

Abstract

The interface quality between the carbon fiber composite matrix and the fiber determines the way in which the load is transferred from the substrate to the carbon fiber, which has a great influence on the mechanical properties of the composite. The matching of the resin matrix and the fiber interface can effectively improve the interfacial bonding strength between the carbon fiber and the matrix resin, which is the key factor to improve the mechanical properties of the composites. The purpose of this paper is to improve the interface performance by adjusting the AG-80 / bisphenol F resin matrix formula.

Firstly, the physical and chemical properties of carbon fiber were tested by SEM and FT-IR, Raman and XPS, and their surface chemical composition and functional group were analyzed. The results show that there are many chemically active carbon atoms and groups that can interact with the resin on the surface of T800 carbon fiber. The contents of C-O and C = O are 45.9% and 3.0%, respectively, and the rest are C-C functional groups.

Then, the contact angle of the T800 carbon fiber with the epoxy resin was tested. The results showed that the contact angle decreased from 83.7 ° to 83.3 ° when the mass percentage of bisphenol F increased to 60% with the increase of bisphenol F concentration, and the concentration of bisphenol F was increased , Contact angle changes are not obvious.

Finally, the shear strength of the interface between the fiber and the substrate was measured by the monofilament fracture test. The results show that with the increase of the mass percentage of bisphenol F, the interface shear strength of resin and fiber increases first and then decreases. When the mass percentage of bisphenol F increases to 60%, the shear strength Maximum and maximum shear strength of 20.6 MPa.

Key word: carbon fiber, composite interface, contact angle, monofilament fracture test

目录

第一章 绪论 1

1.1碳纤维的简介 1

1.1.1碳纤维的材料特性 1

1.1.2碳纤维的分类 2

1.2碳纤维国内外研究发展现状 3

1.3本课题研究内容 5

第二章 T800碳纤维测试表征与性能分析 6

2.1引言 6

2.2测试方法 6

2.3测试结果分析 7

2.3.1纤维表面形貌分析 7

2.3.2纤维化学成分分析 8

第三章 界面浸润性与剪切强度测试 13

3.1树脂配方设置 14

3.2界面浸润性研究 14

3.2.1实验仪器 14

3.2.2实验原理与过程 14

3.2.3实验结果 15

3.3界面剪切性能研究 17

3.3.1试样制备 17

3.3.2实验原理 17

3.3.3实验结果与分析 19

第四章 结论 21

参考文献 22

第一章 绪论

1.1碳纤维的简介

碳纤维是由碳元素组成的，不同种类的碳纤维含碳体积分数不同，一般大于0.9，是具有特殊性能的纤维。碳纤维的分子结构较为特殊，与石墨类似，层与层之间有空隙，以范德华力结合。碳纤维具有一般碳材料的特性，比如在高温下保持特性、易导电、易导热、耐摩擦等优点[^[1]]，此外，碳纤维还有独特的优势，例如质量轻、抗拉强度高，这些优势使得碳纤维可以在更多领域得到应用，适用范围远远大于金刚石、石墨等。与树脂，金属等基体结合后，碳纤维与基体间可以形成较为稳定的界面，复合后的碳纤维复合材料依然保持着独有的优良性质[^[2]]，因此，碳纤维复合材料广泛的应用于现代社会。

碳纤维在过去十年中受到越来越多的关注，被认为是理想的结构材料。作为碳纤维加固复合材料的优势，作为增强复合材料在航空航天，航空航天，汽车和许多军事应用中的应用，碳纤维增强复合材料的机械性能与其性能密切相关纤维矩阵界面。界面特性对于确保从聚合物基体到增强纤维的有效载荷转移至关重要。然而，由于未处理的碳纤维具有较小的表面惯性和较小的活性比表面积，因此在高级复合材料中采用碳纤维抗蚀剂受限于较差的纤维 - 基体界面粘合力。碳纤维复合材料的力学性能主要由聚合物基体与碳纤维之间界面粘合的质量决定。当对复合材料施加载荷时，它通过界面进行分布和传输。然而，由于其平滑性和化学惰性，碳纤维在聚合物基体中通常表现出差的粘合行为。因此，碳纤维的表面处理对于其在碳纤维/环氧树脂复合材料中的实际应用至关重要。可应用于碳纤维的各种表面处理方法包括湿化学方法，干法化学方法，电化学方法，等离子体方法和尺寸涂布。表面处理方法主要是向纤维表面添加化学官能团，这增加了纤维与基质之间的吸引力，导致与原始碳纤维复合材料相比较强的界面粘合。 复合聚合物基质可以分为热固性和热塑性树脂。热固性树脂通常以液体形式存在，并通过化学反应或用红外光，紫外光或电子束的照射施加热量来固化。一旦固化，热固性树脂就不能再加热或熔化成液态。热固性树脂易于加工和层压。 碳纤维/环氧树脂复合材料中使用的热固性树脂的实例包括环氧树脂、氰酸酯树脂等。在本文中，详细介绍了通过调整树脂配方处理碳纤维增强热固性复合材料碳纤维的界面和样品制备方法。此外，讨论了CF增强热固性复合材料的浸润性能和界面剪切性能。