芳纶/环氧复合材料高温界面强化机制研究

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芳纶纤维表面光滑、惰性较强,与树脂基体的界面结合强度较弱,严重制约复合材料在高温环境使用时其力学性能的发挥。本项目利用实验与模拟结合的方式对界面增强机理进行研究,分析了不同温度下界面摩擦力和界面润湿性对复合材料界面载荷传递的影响。研究结果表明,氧等离子体处理后,纤维表面活性基团数量增加,出现了两个新的含氧官能团 -C-O- 和 -O-C=O;等离子体处理在纤维表面发生刻蚀作用,增加纤维表面的粗糙度,提高了芳纶 Ⅲ 与树脂之间的机械互锁,这有利于改善复合材料的应力集中。等离子体处理后纤维通过氢键与π-π键和树脂基体进行结合。在这种作用机理下,有效改善了单丝复合材料在不同温度下的界面性能。在 30 MPa、200 W和 10 min的最佳等离子体处理条件下,研究复合材料动态热力学性能。在25℃的试验温度下,等离子体处理的芳纶 Ⅲ/EP 的 IFSS 增加了 38%。值得注意的是,在120℃ 的试验温度下,IFSS增加 52%。这表明改性处理提供了热力学稳定性,优化了高温纤维复合材料的界面。利用 COMSOL 软件对不同温度下等离子体处理前后的 IFSS 进行了模拟,进一步研究了界面强化机理。结果表明,表面粗糙度对拉拔纤维的界面强度有积极影响,粗糙度越大,界面强度越高。