碳纤维表面BAPPO改性及其复合材料界面耐原子氧性能研究

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1、硕士学位论文碳纤维表面BAPPO改性及其复合材料界面耐原子氧性能研究STUDYONATOMICOXYGENEROSIONRESISTANCEFORTHEINTERFACEOFBAPPO-MODIFIEDCARBONFIBER/EPOXYCOMPOSITES王梓桥哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TB332学校代码：10213国际图书分类号：620密级：公开工程硕士学位论文碳纤维表面BAPPO改性及其复合材料界面耐原子氧性能研究硕士研究生：王梓桥导师：贺金梅副教授申请学位：工程硕士学科：化学工程所在单位：化工学

2、院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB332U.D.C:620DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONATOMICOXYGENEROSIONRESISTANCEFORTHEINTERFACEOFBAPPO-MODIFIEDCARBONFIBER/EPOXYCOMPOSITESCandidate：WangziqiaoSupervisor：AssociateProf.JinmeiHeAcademicDegreeA

3、ppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ChemicalEngineeringAffiliation：SchoolofChemicalEngineering&TechnologyDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要碳纤维/环氧树脂复合材料因其具有各项优异的性能被广泛的应用在各种航天器当中，但当航天器运行到近地太空轨道时会受到

4、原子氧的侵蚀，所以原子氧的防护成为制约航天器存活时间的一项课题，近年来通过含芳香类苯磷氧结构（PPO）分子的引入对聚合物的耐原子氧性能有很大的提高。本文采用三种方法对碳纤维表面进行改性，并研究碳纤维与环氧树脂之间的界面耐原子氧性能：通过双（3-氨基苯基）苯基氧化膦（BAPPO）与环氧树脂复配的碳纤维表面上浆涂覆法，碳纤维表面化学接枝BAPPO法，碳纤维表面二元接枝POSS法。研究上浆涂覆法改性碳纤维复合材料界面性能，首先采用红外光谱，核磁共振谱对双（3-氨基苯基）苯基氧化膦（BAPPO）进行表征，通过SEM，IFSS以

5、及单丝拉伸方法确定最佳上浆剂的浓度，得出当质量分数为1%时上浆剂对纤维的整体性能最好，其集束性，表面形貌最佳，界面剪切强度以及单丝拉伸强度最高，分别达到88.63MPa，3.31GPa比抽提的纤维分别提高了19.67%以及3.54%，表面能达到55.02mN/m，比抽提的纤维提高43.35%。研究化学接枝改性碳纤维复合材料界面性能，通过XPS，SEM等测试手段确定通过碳纤维接枝BAPPO的最佳反应质量分数，当BAPPO质量分数为3%时，P含量的达到3.23%，接枝效率最高，界面剪切强度提高了17.73%，单丝拉伸强度下

6、降了5.79%，表面能提高了17.14%。研究碳纤维二元接枝POSS的最佳接枝时间，当POSS的质量分数为1%，反应时间为24h，接枝反应的Si含量最大，达到11.37%，Si/C比最大，界面剪切强度提高了15.84%，单丝拉伸下降了2.60%，表面能提高了21.76%。经过模拟空间原子氧暴露试验8h后，微复合材料界面性能经过比较可以发现，抽提后的碳纤维IFSS下降了16.65%，原丝的IFSS下降了13.33%。经过上浆后的IFSS下降了5.22%，经过BAPPO改性后的IFSS下降了1.63%，经过二元接枝POSS

7、后，IFSS下降了3.95%。经过抽提后的IFSS下降比例最大，其次为T300原丝，然后为经过1%上浆涂覆后的碳纤维，二元接枝POSS后的碳纤维，BAPPO改性后的碳纤维，拉伸强度经过比较可以发现，原丝碳纤维，抽提碳纤维，上浆碳纤维下降比例依次变小，接枝BAPPO与接枝POSS的纤维拉伸强度基本没有发生改变。通过SEM，AFM，XPS分峰表征三种方法改性的碳纤维经过原子氧暴露的防护机理，通过SEM，AFM观察其表面形貌，发现经过上浆，接枝BAPPO以-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文及二元接枝POSS的方法均在其表面

8、形成不规则的厚度不均匀的膜，通过XPS分析得出，接枝BAPPO以及上浆的纤维经过AO暴露后表面均形成P-O类似于磷酯结构的膜作为防护层，二元接枝POSS的纤维经过AO暴露后，推测形成类似硅的氧化物以及磷的氧化物用于保护纤维界面层。关键词：碳纤维/环氧树脂；苯氧磷；耐原子氧；界面；倍半硅氧烷-II-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文Ab