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纳米材料对玻璃纤维的表面改性及性能研究

天津科技大学硕士学位论文

1前言

1.1纤维复合材料概述

聚合物基纤维复合材料主要是指碳纤维、玻璃纤维、天然纤维等与聚合物基材混合制成的材料。这类材料力学性能优异,被广泛的应用在化工、汽车、建材、航空航天等领域【lJ。加入纤维在改善聚合物基复合材料的机械性能方面效果显著,因此纤维增强聚合物基复合材料在过去的几十年得到广泛研刭”J。在聚合物基纤维复合材料中,材料的最终性能在很大程度上受到纤维和基体材料界面性能好坏的影响。最近研究表明纳米级填料与微米级纤维可形成多尺度复合增强结构协同提高复合材料的力学性能14J。由于少量纳米材料填充的聚合物表现出了良好的机械性能和功能性p。1¨,并且弥补了单一填料增强复合材料时出现的一些缺点和不足。通过填充纳米粘土的环氧树JT旨'/编织碳纤维复合材料实现多尺度的协同增强,该材料表现出了良好的弯曲性能和热性能u2。。直接将碳纳米管和碳纤维或碳纳米管与玻璃纤维进行复合就可增强复合材料的机械性能,同时单纤维拔出实验表明碳纳米管与碳纤维或者玻璃纤维通过协同作用增强界面间的载荷传递【l孓161。由此看出,利用纳米填料与纤维对聚合物进行协同增强的方法为提高聚合物基复合材料的性能提供了新的可能。

1.2纤维复合材料的制备与结构

1.2.1纳米填料分散在聚合物基纤维复合材料。

将纳米颗粒分散于聚合物基纤维复合材料中,不仅能够改善单一填料在增强复合材料时所出现的不足,而且能够增加两相界面的粗糙度,得到性能更好的复合材料。传统的纤维材料例如玻璃纤维或者碳纤维直径尺度大约在为几个微米或者十几个微米,而纳米填料的颗粒尺寸为几个纳米或者几十个纳米,说明纳米填料比一般所使用的传统纤维直径小很多倍。如图1-1表明纳米填料可以直接分散于聚合物基纤维复合材料中。当少量纳米填料分散在纤维之间,可以增强聚合物基体的强度以及纤维与基体之间的界面粘合力,同时不影响纤维所占复合材料的体积分数。

图1.1直接将纳米颗粒分散于纤维/树脂复合材料中

Fig.1一lASchematicGraphofNano-fillerDispersioninPolymer/fiberComposites

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