【摘 要】
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得益于碳纤维织物（Carbon fiber,CF）增强环氧树脂（Epoxy,EP）基复合材料的优异力学性能以及卓越的可结构设计性能,其不仅在航空工业、交通运输等领域受到重点发展还在体育建材、建筑补强等行业得到广泛应用。由于CF/EP复合材料在其平面内能够展现出优异的性能但在其平面外径向方向仅靠树脂基体粘结,当复合材料承力时载荷可以很容易在复合材料平面内传递,而当载荷跨平面传递时由于碳纤维织物层与层
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得益于碳纤维织物（Carbon fiber,CF）增强环氧树脂（Epoxy,EP）基复合材料的优异力学性能以及卓越的可结构设计性能,其不仅在航空工业、交通运输等领域受到重点发展还在体育建材、建筑补强等行业得到广泛应用。由于CF/EP复合材料在其平面内能够展现出优异的性能但在其平面外径向方向仅靠树脂基体粘结,当复合材料承力时载荷可以很容易在复合材料平面内传递,而当载荷跨平面传递时由于碳纤维织物层与层之间仅靠树脂基体粘结,增强体之间缺乏有效的连接无法抵抗横向载荷,造成复合材料的层间分离,这严重影响了复合材料的使用寿命及安全性。因此改善CF/EP复合材料的层间剪切性能提高复合材料层间法向的力学强度是非常必要的。在这项工作中我们通过向基体中引入性能优异的短切碳纤维（SCF）来改性环氧基体,并通过对SCF的表面进行功能化处理来研究CF/EP复合材料的力学性能。研究的主要内容和结果如下:1、通过浓硝酸刻蚀的手段使SCF表面产生含氧官能团,制备了氧化SCF并将其用于改性CF/EP复合材料。研究发现SCF的氧化程度和含量均对复合材料的层间剪切强度（ILSS）有显著影响,在适宜的氧化程度下仅0.07 wt%含量的SCF就可使ILSS从51.8 MPa提高到58.8 MPa提高了13.5%。SCF主要是通过增强环氧基体的方式实现对复合材料的增强。而SCF过高的氧化程度和含量均会影响复合材料的ILSS。2、采用改性的Hummers法制备氧化石墨烯（GO）,通过简单水溶液处理的方式使GO负载到SCF的表面制备表面功能化的GO@SCF并以其为增强填料增强CF/EP复合材料。通过对复合材料的微观结构及增强机理的研究,发现GO和SCF有类似的π=π石墨结构,这使得GO可以牢固的负载到SCF的表面。GO表面丰富的褶皱形貌以及含氧官能团能有效改善SCF和环氧之间的界面粘结性,促使SCF有效的耗散和传导应力,最终实现对复合材料的ILSS的增强。3、利用化学涂覆的方式采用二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）对氧化SCF进行表面改性。结果表明MDI和氧化协同作用可以有效提高SCF和环氧基体间的界面粘附性,进一步提高SCF对复合材料的增强效果。通过氧化刻蚀、GO处理和MDI涂覆等功能化处理的方法均可以实现SCF的表面改性,这在一定程度上改善了SCF和环氧基体的界面粘附性提高了SCF对复合材料的增强效果。通过添加表面功能化处理的SCF最终使CF/EP复合材料的ILSS分别提高13.5%,14.7%以及28.1%。这表明添加表面功能化处理的SCF是优化CF/EP复合材料的ILSS的一种有效的方法。
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