【摘 要】
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碳纤维（CF）增强复合材料以其低密度、高比强度、优异的耐热性和出色的耐磨性等优势已在航空航天、高速列车等领域得到了广泛应用。然而,碳纤维的表面通常光滑呈惰性,导致复合材料的界面性能较差,限制了碳纤维增强复合材料性能的进一步提升。因此,改善该类复合材料的界面性能一直是研究的热点。基于此,本论文从界面结构设计的角度出发,采用水热生长法和化学接枝法,在纤维表面生长二氧化锰（MnO2）纳米片后,分别接枝对
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碳纤维（CF）增强复合材料以其低密度、高比强度、优异的耐热性和出色的耐磨性等优势已在航空航天、高速列车等领域得到了广泛应用。然而,碳纤维的表面通常光滑呈惰性,导致复合材料的界面性能较差,限制了碳纤维增强复合材料性能的进一步提升。因此,改善该类复合材料的界面性能一直是研究的热点。基于此,本论文从界面结构设计的角度出发,采用水热生长法和化学接枝法,在纤维表面生长二氧化锰（MnO2）纳米片后,分别接枝对苯二甲酸（PTA）和聚酰胺-胺（PAMAM）,随后浸渍树脂及热压成型,制备出复合材料。最后对改性前后各增强体的微观形貌、化学组成和表面能进行分析,研究其对复合材料力学及摩擦学性能的影响规律。采用水热法在碳纤维表面生长MnO2纳米片,探究了水热时间对纤维表面MnO2纳米片厚度的影响,当水热时间为75 min时（CF-4）,纳米片厚度为13 nm左右,此时纤维表面粗糙度显著提高,有利于实现与树脂基体的界面机械啮合,进而提高碳纤维与树脂的界面结合性能。结果表明,与原始纤维相比,CF-4的表面能提高了 212%。复合材料CFRP-4拉伸强度提高了 29.4%,磨损率下降了 20.7%。采用水浴法将PTA分子化学接枝到CF-MnO2表面,成功制备了增强体CF-MnO2-PTA,将极性羟基和羧基引入纤维表面,有利于和树脂在界面处形成强的化学键合作用,进而显著提高复合材料的界面结合性能。研究表明,复合材料CFRP-MnO2-PTA的拉伸强度提高至310.4 MPa,与原始复合材料相比提高了 64.4%;此外,摩擦系数更平稳,磨损率下降了 37%。采用水热法在碳纤维表面生长MnO2纳米片后,在其表面接枝了含有氨基的PAMAM分子,增加了界面处的化学键合作用,进一步改善与树脂的结合效果。研究表明,使用纳米MnO2和PAMAM进行协同改性后,与原始CF相比其表面能提高了 218%;与原始碳纤维增强复合材料相比拉伸强度提高了 52.9%。同时,其摩擦系数最大且稳定,磨损率降低了 54%。
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