先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料界面及纖維表面改性

前言

高性能樹(shù)脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量大、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，作為重要的國(guó)防戰(zhàn)略物資，廣泛地應(yīng)用于航空航天、武器裝備等眾多國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域中。傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料多采用熱固性樹(shù)脂基體，然而由于熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料脆性大、損傷容限性能低、不能重復(fù)或者二次加工等問(wèn)題，制約了熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的發(fā)展。自高性能熱塑性樹(shù)脂基體（如PES、PEEK、PEI等）成功開(kāi)發(fā)以來(lái)，人們對(duì)纖維增強(qiáng)高性能熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料表現(xiàn)出極大的興趣，與熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料相比，高性能熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料具有較高的損傷容限性能，克服了熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料韌性差、易發(fā)生早期應(yīng)力開(kāi)裂等缺點(diǎn)，可應(yīng)用于使用環(huán)境較為苛刻、承載能力要求較高的場(chǎng)合，是當(dāng)今航空航天和國(guó)防工業(yè)新材料的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。國(guó)外自20世紀(jì)70年代開(kāi)始高性能熱塑性樹(shù)脂基體及其復(fù)合材料的研制工作，80～90年代熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料得到迅速發(fā)展，包括聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）、聚芳酮PAK（APC-HTX）、聚醚酰亞胺（PEI）等半結(jié)晶型和聚酰亞胺PI（如Avimid I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，LaRc-TPI）、聚醚砜（PES）、聚砜（PSF）等無(wú)定形熱塑性基體及其復(fù)合材料相繼出現(xiàn)，并在國(guó)外多種型號(hào)的飛機(jī)上得到應(yīng)用，如F-117A飛機(jī)的碳纖維／聚醚醚酮全自動(dòng)尾翼、C-130運(yùn)輸機(jī)CF／PEEK機(jī)身腹部壁板、V-22飛機(jī)CF／PEEK前起落架門(mén)、DONIAL328飛機(jī)Kevlar／PEI著陸襟翼肋和防冰板、陣風(fēng)飛機(jī)CF／PEEK機(jī)身蒙皮以及A380客機(jī)的機(jī)翼前緣、副翼等關(guān)鍵部件。

內(nèi)容概要

　　本書(shū)介紹了連續(xù)纖維增強(qiáng)含二氮雜萘結(jié)構(gòu)可溶性聚芳醚砜酮(PPESK)樹(shù)脂基復(fù)合材料的溶劑選擇原則、預(yù)浸料的制備和復(fù)合材料的模壓制備工藝。對(duì)纖維增強(qiáng)可溶性PPESK樹(shù)脂基復(fù)合材料殘余熱應(yīng)力的產(chǎn)生、分布規(guī)律及其潛在的破壞區(qū)域進(jìn)行了分析討論。重點(diǎn)闡述高性能纖維(包括T700碳纖維、Twaron與Aroms芳綸纖維及PBO纖維)經(jīng)射頻冷等離子體(ICP)改性處理后，纖維表面狀態(tài)、表面組成、表面相貌、浸潤(rùn)性能的變化規(guī)律以及經(jīng)等離子體處理前后纖維增強(qiáng)可溶性　　PPESK樹(shù)脂基復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系及變化規(guī)律、復(fù)合材料界面黏結(jié)及破壞機(jī)理。最后對(duì)纖維表面時(shí)效性及其對(duì)纖維增強(qiáng)PPESK樹(shù)脂基復(fù)合材料界面性能的影響進(jìn)行了論述。對(duì)PBO纖維等離子體接枝改性及其對(duì)PPESK樹(shù)脂基復(fù)合材料界面性能的影響也進(jìn)行了初探。　　本書(shū)可供從事先進(jìn)復(fù)合材料、航空航天材料科學(xué)研究人員、技術(shù)開(kāi)發(fā)人員及高等院校相關(guān)專業(yè)的師生參考。

作者簡(jiǎn)介

陳輝，哈爾濱玻璃鋼研究院教授級(jí)高級(jí)工程師?，F(xiàn)任哈爾濱玻璃鋼研究院院長(zhǎng)，中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)常務(wù)理事，中國(guó)玻璃鋼協(xié)會(huì)理事，中國(guó)建材工業(yè)協(xié)會(huì)科技委委員，中國(guó)玻璃鋼標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)委員，哈爾濱工業(yè)大學(xué)兼職教授；《纖維復(fù)合材料》主編。先后獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)3項(xiàng)；省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)9項(xiàng)。多項(xiàng)成果通過(guò)了國(guó)家技術(shù)鑒定，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先及國(guó)際先進(jìn)水平，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，撰寫(xiě)學(xué)術(shù)著作2部，獲得國(guó)家發(fā)明專利2項(xiàng)。2002年被國(guó)防科工委授予“國(guó)防工業(yè)有突出貢獻(xiàn)中青年專家”；2004年被人事部、國(guó)防科工委、解放軍總裝備部聯(lián)合授予“中國(guó)載人航天工程突出貢獻(xiàn)者”；2005年被國(guó)家人事部等7部委聯(lián)合授予“首批新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程國(guó)家級(jí)人選”等榮譽(yù)稱號(hào)。陳平，大連理工大學(xué)化工學(xué)院精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高分子材料學(xué)科教授、博士生導(dǎo)師；沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院材料學(xué)科碩士生導(dǎo)師。現(xiàn)任遼寧省先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料制備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任；中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)理事、界面科學(xué)與工程專業(yè)委員會(huì)委員；中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)絕緣材料與絕緣技術(shù)專委會(huì)委員；中國(guó)化工學(xué)會(huì)新材料專委會(huì)委員；遼寧省航空宇航學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任；《材料研究學(xué)報(bào)》等學(xué)術(shù)期刊編委。先后獲得國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)2項(xiàng)；省部級(jí)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)13項(xiàng)。申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)，其中4項(xiàng)已授權(quán)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文110余篇，其中50篇收入SCI、EI中。撰寫(xiě)《環(huán)氧樹(shù)脂及其應(yīng)用》等學(xué)術(shù)專著2部；撰寫(xiě)教材2部；其中《高分子合成材料學(xué)》獲選為“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材用書(shū)。1999年獲國(guó)務(wù)院政府特殊津貼，2003年獲首屆“遼寧省十大青年科技英才”榮譽(yù)稱號(hào)，2004年入選“遼寧省新世紀(jì)百千萬(wàn)人工程”百人計(jì)劃，2005年第三屆“侯德榜化工科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”青年獎(jiǎng)，2008年獲首屆中國(guó)石油與化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)青年科技突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)等。

書(shū)籍目錄

前言 1　緒論 　1.1　樹(shù)脂基復(fù)合材料的發(fā)展簡(jiǎn)史 　1.2　熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料研究進(jìn)展 　　1.2.1　熱塑性樹(shù)脂基體的研究進(jìn)展 　　1.2.2　熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝研究進(jìn)展 　1.3　高性能纖維的結(jié)構(gòu)與性能 　　1.3.1　碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能 　　1.3.2　芳綸纖維的結(jié)構(gòu)與性能 　　1.3.3　PBO纖維的結(jié)構(gòu)與性能 　1.4　聚合物基復(fù)合材料的界面 　1.5　纖維表面改性的處理方法研究進(jìn)展 　　1.5.1　纖維表面改性方法概況 　　1.5.2　纖維表面等離子體改性方法 　1.6　復(fù)合材料熱應(yīng)力分析表征方法研究進(jìn)展 　參考文獻(xiàn) 2　實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法 　2.1　實(shí)驗(yàn)原材料及實(shí)驗(yàn)儀器 　　2.1.1　實(shí)驗(yàn)原材料 　　2.1.2　實(shí)驗(yàn)儀器 　2.2　纖維表面等離子體處理 　　2.2.1　碳纖維表面等離子體處理 　　2.2.2　芳綸纖維表面等離子體處理 　　2.2.3　PBO纖維表面等離子體處理 　2.3　復(fù)合材料的制備 　2.4　等離子體處理時(shí)效性分析 　2.5　實(shí)驗(yàn)方法 　　2.5.1　X射線光電子能譜分析 　　2.5.2　纖維的表面形貌分析 　　2.5.3　動(dòng)態(tài)接觸角分析 　　2.5.4　復(fù)合材料的性能測(cè)試 　　2.5.5　復(fù)合材料破壞形貌分析 　　2.5.6　纖維的紅外光譜分析 　　2.5.7　樹(shù)脂基體性能的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析 　　2.5.8　復(fù)合材料的熱應(yīng)力分析 　參考文獻(xiàn) 3　CF／PPESK樹(shù)脂基復(fù)合材料的成型工藝與熱應(yīng)力分析 　3.1　溶劑的選擇 　3.2　預(yù)浸料的制備工藝 　3.3　復(fù)合材料模壓成型工藝 　　3.3.1　預(yù)浸料內(nèi)的溫度場(chǎng)的數(shù)值分析 　　3.3.2　復(fù)合材料成型壓力及成型時(shí)間的選擇 　3.4　復(fù)合材料的殘余熱應(yīng)力分析 　　3.4.1　有限元分析模型 　　3.4.2  基體樹(shù)脂性能的分析 　　3.4.3  材料的屈服準(zhǔn)則 　3.5　復(fù)合材料內(nèi)殘余熱應(yīng)力的分布規(guī)律 　　3.5.1　復(fù)合材料軸向、徑向、環(huán)向殘余熱應(yīng)力的分布規(guī)律 　　3.5.2　纖維表面殘余熱應(yīng)力的分布規(guī)律 　　3.5.3　復(fù)合材料自由端及內(nèi)部區(qū)域殘余熱應(yīng)力的分布 　　3.5.4　復(fù)合材料潛在的破壞區(qū)域分析 　3.6　降溫速率對(duì)復(fù)合材料內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律的影響 　參考文獻(xiàn) 4　空間溫度環(huán)境下碳纖維復(fù)合材料的熱應(yīng)力模擬 　4.1　復(fù)合材料的數(shù)值仿真模型 　4.2　空間環(huán)境溫度場(chǎng) 　4.3　升溫過(guò)程復(fù)合材料的熱應(yīng)力分析 　　4.3.1　CF／PPESK復(fù)合材料的自由端及內(nèi)部區(qū)域的熱應(yīng)力分布規(guī)律 　　4.3.2　CF／PPESK復(fù)合材料內(nèi)的缺陷區(qū)域?qū)釕?yīng)力分布規(guī)律的影響 　　4.3.3　CF／PPESK復(fù)合材料與熱固性復(fù)合材料熱應(yīng)力分布規(guī)律的比較 　4.4　降溫過(guò)程復(fù)合材料的熱應(yīng)力分析 　　4.4.1　CF／PPESK復(fù)合材料的自由端及內(nèi)部區(qū)域的熱應(yīng)力分布規(guī)律 　　4.4.2　CF／PPESK復(fù)合材料內(nèi)缺陷區(qū)域?qū)釕?yīng)力分布規(guī)律的影響 　　4.4.3　CF／PPESK復(fù)合材料與熱固性復(fù)合材料熱應(yīng)力分布規(guī)律的比較， 　參考文獻(xiàn) 5　碳纖維的表面性能及CF／PPESK復(fù)合材料的界面性能 　5.1　碳纖維原纖表面的XPS分析 　5.2　空氣冷等離子體處理對(duì)碳纖維表面化學(xué)成分的影響 　5.3　等離子體處理對(duì)碳纖維表面形貌的影響 　5.4　等離子體處理對(duì)碳纖維浸潤(rùn)性能的影響 　5.5　等離子體處理對(duì)CF／PPESK復(fù)合材料界面ILSS的影響 　5.6　碳纖維／PPESK復(fù)合材料的耐濕熱性能 　5.7　碳纖維／PPESK復(fù)合材料的界面破壞機(jī)理分析 　5.8　碳纖維／PPESK復(fù)合材料的界面黏結(jié)機(jī)理分析 　參考文獻(xiàn) 6　Twaron纖維的表面性能及Twaron／PPESK復(fù)合材料界面性能7　Aroms纖維的表面性能及Aroms／PPESK復(fù)合材料界面性能 8　PBO纖維的表面性能及PBO／PPESK復(fù)合材料界面性能 9　有機(jī)纖維表面時(shí)效性分析及其對(duì)復(fù)合材料界面性能的影響 10　PBO纖維等離子接枝環(huán)氧樹(shù)脂改性及其對(duì)復(fù)合材料界面性能的影響 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：6.電子（靜電）理論當(dāng)復(fù)合材料中的兩相物質(zhì)對(duì)電子的親和力相差較大時(shí)（如金屬與聚合物），在界面區(qū)容易產(chǎn)生接觸電勢(shì)并形成雙電層，靜電吸附力是界面黏合力產(chǎn)生的直接因素之一，如氫鍵就可以看成是一種靜電作用。界面的形成和作用機(jī)理非常復(fù)雜，任何界面的物理及化學(xué)因素的改變都會(huì)影響界面的形成、界面的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性，到目前為止，還沒(méi)有哪一種理論能夠解釋所有界面現(xiàn)象，這方面的研究仍在進(jìn)行中。1.5 纖維表面改性的處理方法研究進(jìn)展高性能纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能不僅取決于纖維與樹(shù)脂基體的力學(xué)性能，還與纖維和樹(shù)脂基體之間的界面黏結(jié)性能密切相關(guān)。然而未處理的碳、芳綸及PBo等高性能纖維表面光滑，缺乏極性基團(tuán)，化學(xué)活性低，致使纖維與樹(shù)脂基體之間的相互作用力僅局限于較弱的次級(jí)原子力相互作用，從而限制了纖維性能的發(fā)揮，因此，纖維表面改性成為提高其復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。1.5.1 纖維表面改性方法概況高性能纖維的黏結(jié)性能取決于纖維的表面形貌、比表面積、表面自由能、表面粗糙度等因素。經(jīng)過(guò)表面處理后纖維的表面粗糙度增加，表面微晶結(jié)構(gòu)變小，表面極性基團(tuán)以及邊緣棱角的不飽和碳原子數(shù)增加，有利于增加纖維與樹(shù)脂基體間的化學(xué)、物理相互作用，使得復(fù)合材料的界面黏結(jié)性能得到提高。目前，許多研究表明增加纖維表面極性基團(tuán)的含量，可提高纖維與樹(shù)脂之間的浸潤(rùn)性能，增加纖維與基體之間的化學(xué)鍵合相互作用，從而能有效地提高復(fù)合材料的界面黏結(jié)性能。也有研究表明增加纖維表面粗糙度，能有效地增加纖維與樹(shù)脂基體之間的機(jī)械嵌合相互作用，也可提高復(fù)合材料的界面黏結(jié)性能。因此，各種纖維表面改性方法都力求增加纖維與樹(shù)脂之間的一種或者幾種相互作用力，并通過(guò)尋找影響其變化的規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料界面性能的調(diào)控。

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《先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料界面及纖維表面改性》由科學(xué)出版社出版。

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