现代仪器分析技术在碳纤维_橡胶复合材料研究中的应用.pdf

物理测试2 0 0 0 年第3 期现代仪器分析技术在碳纤维橡胶复合材料研究中的应用扬雪梅(燕山大学材料化工学院。秦皇岛0 6 6 0 0 4)擅要简要介绍热分析技术、扫描电子显徽镜在研究碳纤维橡胶复合材料的反应机理、耐热性以及碳纤维在橡胶中的分布状况和断裂机理等方面的应用情况。关键词复合材料，热分析。扫描电镜A p p t i o no fM o d e ml n s t r u m 蛆tA n a I y s i sT e c h n o I o g yi nS t u d yo fC a r b o nF i b e r R u b b e rC o m p 鸺i t eY a l】g X m i(Y 蚰s 皿U 出v e 商t y，蛐地n 饿0 4)A h n 砸1 ka p 曲泣曲惦o f 血毗I l a la I l a l y s i st e c h n d o 盯(叽A，D l G)皿d8 咖d e c 仃耐a l a 唧y(疆M)i I l 蛔l 矗b 盯，h b b 叮m p 商她嘲蒯y 血t h es t u d y0 ft h er c 曲nr c h a n 啪，h 0 r 醯一切腮。刚a t eo fd i s 廿i b u 石帆o fc a r b o n6 b 盯 mm b b 盯a I l dh a c c u r e 1 e d 强n i 锄 值v eb e 自ni n t r。d u c e dX 叮w H t b m p i t e，t h 日m a la l y 出，8 c 阻d 咖1I I l i a p e随着现代仪器分析技术的发展，各种仪器分析和手段被广泛用于物质组成、结构、性能、反应历程等方面的研究。其中热分析技术、扫描电镜以其快捷、准确、方便、直观、节省试样等优势在复合材料研究领域中得到了广泛的应用。本文利用热分析技术对碳纤维预氧化过程的反应机理、碳纤维橡胶复合材料的耐热性进行了研究；利用扫描电镜对碳纤维在橡胶中的分布状况以及碳纤维橡胶复合材料的断裂机理进行了观察。l 热分析技术在碳纤维橡胶复合材料研究中的应用1 1 碳纤维预氧化过程中的反应机理碳纤维橡胶复合材料的P N A 基碳纤维制备经过预氧化处理、碳化P N A 原丝而得到。只有经过预氧化霜处理的n q A 原丝，其纤维的炭化效率才高，其原因可根据E 雌L 和T G 的图谱分析，得出预氧化过程中的反应机理。1图1 为P N A 原丝的D T A 图谱。由图1 可以看出，在2 7 0 3 0 0 之间有一明显的放热峰，其峰值在2 7 9 左右，而在其1 G 图谱上直到2 9 0 也没有明显机械工业部技术基金资助礓目稿件收到日期：9 9 0 9 1 5橱雪捧，女3 5 岁，工程师温度围1P N A 原丝的叭围 万方数据砌年第3 期物理测试的失重现象。这说明2 7 0 的放热峰只能是因m 原丝分子内发生的环化反应所导致，其反应机理如图2。圈2 环化反应机理从上述分子内反应可看出，反应中并无质量损失，只有化学键的重排，反应结果符合分析结论。此外，通过计算C N 键中键的断裂能和C N 口键的，生威能，其能量变化总和在反应中以放热的形式表面现出来，这与叽A 的实验结果吻合说明上述反应历程推断的正确性。上述叽A 的反应过程是在N 2 气氛下进行的，疆氯化基崖7 而实际的预氧化是在氧气的气氛下进行的。图3 为田3P N 原丝琢蕾船虞与失t 关系圈n 蛆原丝预氧化温度与失重的关系。可以看出，在2 时咯有失重，2 9 0 以上失重较明显，而2 7 0 并无失重现象。其T G 图谱与氮气气氛下的T G 图谱类似。由此推断在氧气气氛下，P N A 原丝发生如图4 的反应。敞器，盘鼍赡麓。由反应可知，预氧化之所以使纤维炭化收率提高。是因为在空气气氛下P N A 结构逐渐过渡为共轭双键的结构，随着温度的升高很容易向石墨结构转变，从而使更多的碳纤维残留下来，郾增加了炭化收率。1 2 碳纤维橡胶复合材料耐热性研究图5 为不同碳纤维舍量的碳纤维橡胶复合材料的T G 图。可以看出，该复合材料的氧化失重温度随碳纤维古量的增加而升高。这可为不同用途、不同使用环境的橡胶制品提供材料配比的依据。2 辄M 在橡胶碳纤维复合材料研究中的应用2 1 碳纤维与橡胶结合状况的观察缸M 广泛用于研究复合材料的界面结合状况、断口形貌等。图6 为橡胶碳纤维的艇M、氏。孕：o弋zHo入H C一、E芦r 啦印，旷eH、，严八HCr 甚啦飞一：I；。HCH、，N弋r；。H_ I u _ N 万方数据物理测试2 0 0 0 年第3 期照片。由图中可见，骥纤维与橡胶的结合并不是很好，碳纤维表掰只黼附少量的基体材料。这是由于碳纤维的袭懈藻本上是惰性的，它与橡胶直接复合难以获樗慰够大的结合力，必须预先进行表面处理。一般方法是进行授涂处理，涂层溶液的固畲薏墩低。度面张力越小，愈易浸润纤维。另一方面璇纤维经表面处理后，表面积增大，表面活性熬髓浓艘增加，从而有利于碳纤维、椽胶的浸润和黜络。瀛虞C圈5 礞鑫f 撼糠黢童台材料粥圈圈6 碳鲆熊糠肢氯台材料删黑片2 2 碳纤维在藏较中的分撩状况圈7 为碳纾维程橡胶巾嚣分毒获提整艇照片。可墩看到，碳缈缭在基律孛髀分枣劳菲攫垮匀，这将影嚷璇绔壤稼获复会耪瓣瓣挂薮强度。建戚这不垮键瓣鞭黼，一方垂是 燕舍方法有凳迸一爹霹究致滋，茄一方嚣是野维窘董遘嘉，嚣露会出瓒鞠显戆镶聚嚣象，馕聚区鹩瑗纤维呈素获或莹严熏豹辕巍搭接获。由于镇聚匿建基体校难浸入褥赫澎成_ 魏漏，该类毳漏戚鸯复合材辩孛明最的结构缺陷。瓣7 璇释雏瓣分毒重8 臻终雏瓣荻鬟鑫糖辩羲叠涮爨簧2 3 碳纤维像获鬟念率|瓣断袭税理酶研究由匿8 可以脊出，斯口表面大置纤维被拔出，纤维断面平齐，几乎没肴纾维断裂的迹象。由此可以断定，碳纤维橡胶复合材料的断裂过程中并未发生增强体碳纤维的断裂，纤维的断裂为破坏的主鬻j 骺斌，材料的断裂过程为基体碳纤维的界面破坏所控制。(下接4 页)万方数据4物理测试2 0 0 0 年第3 期温度C击|程度，c围5 应力强度系数置和应变硬化指数n 随温度变化曲线本文建立的热机械疲劳应力应变本构关系模型，由于缺少大量的热机械疲劳试验验证，该模型的使用还有待于进一步修正。在本文建立的模型基础上，若将损伤对应力一应变关系的影响因素考虑在内，可以进一步计算出热机械疲劳状态下各应力应变滞回曲线，直至其发生失效断裂。由于本文试验数据有限，而现有资1料关于口f 3 3 A 合金的高温疲劳性能参数较少，数学模型的建立目前尚不具备条件。参考文献1 胁A K l 出血删h t I l e n 抽m 妇B e 量l a v 栅o f 五曲_ 1 h 驴田仰tM 婀j a l 3 I I l：F a t i 驰扯E l e 州n 唧一t u M 艇删S r P5 2 0 1 9 7 3 6 1 32 韩廷玮(译)金属材料的高温强度。北京：科学出版社，1 9，2(上接3 4 页)3 仪嚣分析在复合材料研究中应用的发展趋势应力M P 85 7 3 8 2 5 5 0 0A5 0 1 O O 一0 5 00 0 I)05 01 0 07 应变!，一5 0 0I一L，一(试验数计算围6 计算结果与试验曲线随着复合材料的制备、结构、性能研究的深入，仪器分析方法将愈来愈多地被广泛应用。除上述介绍的方法外，常用的还有透射电镜、广角X 射线、红外光谱、核磁共振等。这些新型现代仪器的使用，将为材料科学的进一步发展提供更先进的检测分析手段。参考文献王惠炭素技术，1 9 粥：5赵集蠢复合材科北京：国防工业出版社1 9 7 9洗杏娟，李端义复合材科破坏及徽观图谱北京：科学出瓿社，1 9 9 5周本糜新型复合材料的一些进展。材料科学与发展。1 9 9 1 5(6)万方数据现代仪器分析技术在碳纤维/橡胶复合材料研究中的现代仪器分析技术在碳纤维/橡胶复合材料研究中的应用应用作者：杨雪梅，Yang Xuemei作者单位：燕山大学材料化工学院,秦皇岛066004刊名：物理测试英文刊名：METAL PHYSICS EXAMINATION AND TESTING年，卷(期)：2000(3)被引用次数：1次 参考文献(4条)参考文献(4条)1.周本廉 新型复合材料的一些进展 1991(06)2.洗杏绢;李端义 复合材料破坏及微观图谱 19953.赵渠森 复合材料 19794.王惠 查看详情 1998 引证文献(1条)引证文献(1条)1.黄桂荣.陈建 炭材料热分析技术概述期刊论文-炭素技术 2008(5)本文链接：http:/