文档介绍：碳纤维/酚醛树脂材料
摘要:本文简要叙述了碳纤维/酚醛树脂的增强材料碳纤维、基体材料酚醛树脂和碳纤维/酚醛树脂材料的界面,同时也介绍了碳纤维/酚醛树脂的性能、应用现状和发展前景。
关键词:碳纤维酚醛树脂界面性能应用
1 碳纤维
碳纤维是一种十分重要的结构材料,具有高比强度、高比模量、质轻、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳和热膨胀系数小等一系列优点。碳纤维被广泛应用于航天航空、战略武器、汽车、交通、能源、建筑和体育用品等领域。理论上大多数有机纤维都可被制成碳纤维,实际用作碳纤维原料的有机纤维主要有三种:粘胶纤维、沥青纤维、聚丙烯腈纤维[1-2]。
碳纤维主要成分为碳元素,是一种特种纤维,其分子结构界于石墨与金刚石,,具有以下特性[3]:
(1)轻质高强,其密度为铁的 1/4,比强度为铁的 10倍以上,抗拉强度是钢材的68倍,-,其抗拉模量为 295-640GPa,-。
(2)化学性能稳定,耐高低温,耐腐蚀,在600℃左右的高温下,仍能保持性能,在-180℃左右的低温下,仍具有较好的柔韧性,不与酸、碱等腐蚀溶液发生化学反应。
(3)可加工性好,碳纤维根据其受力需要,增加碳纤维层数,可加工成不同形状,且不需要复杂的大型设备,多次加工对其结构无损伤。
(4)此外,碳纤维还具有其他的优良特性:如X射线穿透性、抗热、导电性及耐磨蚀性能等。
2 基体材料:酚醛树脂
酚醛树脂是一种由酚类化合物与醛类化合物缩聚而成的一大类合成树脂,是世界上最早实现工业化的合成树脂,迄今已有近百年的历史。由于其原料易得,价格低廉,生产工艺和设备简单,具有优异的机械性、耐寒性、电绝缘性、尺寸稳定性、成型加工性、阻燃性及烟雾性,因此,它已成为工业部门不可缺少的材料,具有广泛的用途。作为三大热固性树脂之一,酚醛树脂的年产量已达到 400万吨以上,广泛应用于电气、建筑、汽车、电子、采矿甚至军事领域。酚醛树脂由酚和醛缩合而成,酚主要是苯酚,也可以用甲酚、二甲酚、双酚 A或几种酚的混合物等,醛主要是甲醛,也可以用多聚甲醛、糠醛、乙醛或几种醛的混合物。通过控制原料反应官能度、酚与醛的摩尔比以及反应体系 PH 值等条件,则可以分别制备出热固性酚醛树脂和热塑性酚醛树脂[4-5]。
为了克服酚醛树脂脆性大、固化收缩率高、吸水性大等缺点,进一步提高酚醛树脂的性能,满足高新技术发展的需要,人们对酚醛树脂进行了大量改性研究,开发出一系列高性能酚醛树脂,如钼改性酚醛树脂、硼改性酚醛树脂、芳烷基醚改性、含酰亚胺型的酚醛树脂、酚三嗪树脂和开环聚合型酚醛树脂等
[6]。
3 碳纤维/酚醛树脂材料的界面
复合材料的界面是指复合材料中增强体与基体接触所构成的界面。过去曾把复合材料界面设想成一层没有厚度的面,但实际上复合材料界面是具有纳米以上尺寸厚度并与基体相和增强体相在结构上有明显差别的新相,称之为界面相或界面层。。
对于树脂基复合材料,其界面的形成可以分为两个阶段:第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程。由于增强纤维对基体分子的各种基团或基体中各组分的吸附能力不同,它总是要吸附那些能降低其表面能的物质,并优先吸附那些能较多降低其表面能的物质,因此界面聚合层在结构上与聚合物本体是不同的。第二阶段是树脂的固化阶段。在此过程中树脂通过物理的或化学的变化而固化,形成固定的界面层。固化阶段受第一阶段影响,同时它直接决定着所形成的界面层的结构。近年来对纤维增强树脂基复合材料界面性能的研究已经越来越受到学者的重视,在此基础上也己提出了界面工程这一材料科学中的新领域,它属于边界学科,还需要进行深入研究。对纤维增强树脂基复合材料界面层的形成及其本构关系若得到更深入的研究,会进一步优化复合材料的性能,并且可推动新型纤维复合材料的设计,以便于更好地应用与开发。对于树脂基复合材料,界面化学反应对于改善纤维与基体间的粘合性能是极为有利的,界面粘合强度的增加可使纤维的增强作用得以更有效地发挥,因为当复合材料受到外力作用时,除增强材料和基体受力外,界面亦起着极其重要的作用,只有通过界面进行应力传递,刁一能使纤维和基体应力均衡分布,因此界面性质和状态直接影响复合材料的综合力学性能和热性能。基体与增强体之间相互作用的不足或过量都是不利的,因为反应不足不能得到良好的结合强度,反应过量则会导致界面脆性,损伤纤维,降低复合材料强度,所以必须对界面反应的类型、数量及速度加以控制。复合材料的强度、刚度及韧性是代表其物理机械性能的重要指标,纤维复合材料技术的基础在于利用高性能纤维的强度和刚度,以及使基体有效地将应力通过纤维和基体间界面进行传递。纵观早期玻纤增强