题目：工艺调控对碳纤维/树脂界面及复合材料性能的影响

碳纤维增强树脂基复合材料由于质轻、高强而在航空航天、交通运输、体育用品等各个领域得到广泛的应用。复合材料的界面产生于复合材料的制造过程中，纤维表面和树脂中的某些元素在相互扩散、溶解后发生化学反应，工艺温度必然对复合材料的界面产生重要影响。国外在碳纤维表面处理及上浆技术方面已经很成熟，但核心技术保密，公开的很少，上浆剂是我国国产碳纤维工程化应用中碰到的关键瓶颈问题。 本文针对这一背景，选用国产T700级碳纤维与三种环氧树脂基体为研究对象，研究了不同的工艺温度对碳纤维/环氧复合材料宏微观界面性能的影响，并从工艺温度对上浆剂与纤维、上浆剂与树脂的反应，树脂的扩散能力等方面进行了深入探讨。首先，采用FTIR和GPC研究了提取的上浆剂的成分及其反应性，通过SEM、AFM、XPS等分析了工艺温度对碳纤维表面形貌、粗糙度及化学组成的影响；其次，通过流变特性分析了不同工艺温度下树脂的扩散能力，考察了树脂浇注体主要力学性能和冲击韧性的变化规律；最后，深入分析了工艺温度对上浆剂与三种环氧树脂的化学反应程度的影响，研究了碳纤维/环氧微观及宏观界面性能的变化以及典型复合材料的弯曲、开孔拉伸等性能。 结果表明，上浆剂中含有环氧、醚键、羟基、羰基和苯环等主要官能团，上浆剂的主体聚合物为环氧类，并且其中含有多种不同分子量的物质。FTIR分析表明，180℃处理2h后上浆剂中环氧官能团发生了开环反应，但反应不完全。由SEM和AFM看出，与纤维直接去剂的表面形貌相对比，经工艺温度处理再去剂后的纤维表面沟槽深度变浅，其O/C比值较高，表明工艺温度处理过程中上浆剂与纤维发生了化学作用，上浆剂固结填充在了部分沟槽中。不同工艺温度处理后纤维表面上浆剂提取量均下降，相应方案下其上浆剂提取量降低程度最大时其反应持续时间也最长，并且碳纤维表面的O/C比增加最多。 三种环氧树脂不同工艺温度下的粘度表明，升温速率慢时树脂的粘度大于升温速率快时相应温度下的粘度；增加恒温平台，树脂的粘度不断增大，不利于树脂分子与上浆剂的相互扩散。力学性能表明，工艺温度对A树脂的拉伸和弯曲性能影响微小或没有，而升温速率对其冲击性能影响显著，升温速率越慢，树脂韧性越好。DSC和原位红外分析表明，上浆剂与A树脂的混合物反应最快，上浆剂自身反应速率最慢；在室温至180℃升温过程中的化学反应不明显，180℃100min后反应基本完成。 IFSS结果表明，较快的升温速率，没有恒温扩散平台时，CF/A复合材料的宏、微观界面强度均较高；从增长幅度看，工艺温度对ILSS的影响小于其对IFSS的影响。CF/A复合材料的其它力学性能表明，A-Pro1时其弯曲强度、弯曲模量及开孔拉伸强度都最高，此时树脂基体弯曲强度最高，复合材料呈现韧性断裂模式；A-Pro2工艺对应最高界面性能，其复合材料的弯曲断口呈脆性破坏模式，由此说明工艺条件对复合材料强界面的调控作用可导致其韧性下降，从而影响复合材料综合性能的提高。 以上研究结果对提高碳纤维/树脂的界面以及国产碳纤维上浆剂的改进和提高具有一定的参考价值。