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摘 要

Ti/CFRP层板具有优异的耐疲劳以及高损伤容限等性能，近年来在汽车、轨道交通及航空航天等领域也受到广泛关注。但是，由于其钛合金金属层与碳纤维增强复合材料层之间弱界面连接强度低于材料本身断裂强度，导致Ti/CFRP层板在界面处易发生脱粘。本课题在不影响碳纤维本身性能的前提下，采用化学接枝法将碳纳米管接枝到碳纤维表面，因CNTs的引入碳纤维表面的粗糙度及化学活性都得到了增强，在与树脂结合的过程中，碳纤维表面的碳纳米管能够更好的嵌入树脂内，增加碳纤维与树脂间的机械啮合作用力，从而达到提高Ti/CFRP层板的层间剪切强度的效果。为了进一步研究碳纳米管改性Ti/CFRP层板对其力学性能的影响，本课题首先通过化学接枝的方法将碳纳米管接枝到碳纤维表面，然后使用真空导流树脂辅助成型法制备Ti/CFRP层板。对不同浓度碳纳米管溶液改性的Ti/CFRP层板的弯曲性能、层间剪切性能、界面断裂韧性及抗冲击性能分别进行分析研究。

关键词 化学接枝 碳纤维 碳纳米管 Ti/CFRP层板

ABSTRACT

Ti/CFRP laminates have excellent fatigue resistance and high damage tolerance. In recent years, they have also received extensive attention in the fields of automobiles, rail transit and aerospace. However, because the weak inter facial connection strength between the titanium alloy metal layer and the carbon fiber reinforced composite layer is lower than the fracture strength of the material itself, Ti/CFRP laminates are prone to debonding at the interface. On the premise of not affecting the performance of carbon fiber itself, this topic adopts chemical grafting method to graft carbon nanotubes onto the surface of carbon fiber. Because the roughness and chemical activity of carbon fiber surface introduced by CNTs are enhanced, carbon nanotubes on the surface of carbon fiber can be better embedded into resin during the process of bonding with resin, increasing the mechanical engagement force between carbon fiber and resin, thus achieving the effect of improving the inter laminar shear strength of Ti/CFRP laminates. In order to further study the influence of carbon nanotubes modified Ti/CFRP laminates on their mechanical properties, this topic firstly grafted carbon nanotubes onto the surface of carbon fibers by chemical grafting method, and then prepared Ti/CFRP laminates by vacuum diversion resin assisted molding method. The bending properties, inter laminar shear properties, inter facial fracture toughness and impact resistance of Ti/CFRP laminates modified with different concentrations of carbon nanotube solution were analyzed and studied respectively.

Keywords：Chemically grafted;Carbon fiber;Carbon nanotube;Ti/CFRP laminate

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 碳纳米管 2

1.3 纤维金属板 3

1.4 化学接枝 5

1.5 真空导流树脂辅助成型法 5

1.6 研究意义及目的 6

第二章 实验方案 7

2.1 实验假设 7

2.2 实验目标 7

2.3 实验药品与仪器 8

2.4 实验步骤 9

2.4.1碳纳米管接枝碳纤维制备 9

2.4.2 CNTs改性Ti/CFRP层板的制备 9

2.4.3弯曲性能测试 10

2.4.4层间剪切性能测试 10

2.4.5界面断裂韧性测试 10

2.4.6抗冲击性能测试 10

2.4.7单拉剪切试样断裂面SEM表征 11

第三章 实验结果及分析 12

3.1 弯曲性能 12

3.2 层间剪切性能 12

3.3 界面断裂韧性 13

3.4 抗冲击性能 13

3.5 剪切式样断裂面的SEM图片及分析 13

结 论 15

参考文献 16

致 谢 19

第一章 绪论

1.1 前言

碳纤维增强复合材料层板作为新型材料层板，有着许多优良性能，但其仍存在脆性大，易断裂等缺点。碳纤维增强复合材料层板层间横向性能较弱，这取决于树脂基体与碳纤维之间的层间性能，假设其他性质不变，那么钛合金金属基板、碳纤维增强树脂基复合材料之间的界面粘接强度则成为影响层板性能的关键因素，层间界面粘接强度上升，纤维金属层板的性能会随之而增强。

碳纤维材料是一种其中碳元素含量通常高于95%的新微晶类型石墨纤维材料,有着高强度、高模量等优异的流体力学性能,它主要是由沿石墨纤维管的轴向倾斜方向逐层堆砌而来形成的薄薄片状或由石墨粉或微晶等有机金属纤维经过热碳化或其他石墨化学热处理而加工得到的一种微晶类型石墨纤维材料。而且,它们的比重很低,仅有普通钢的总比重的1/4,而在弹性复合材料中其抗拉伸的强度却十分高,通常都在3500mpa以上。碳纤维多应用于增强复合材料，例如碳纤维增强复合材料等。在所有的增强纤维之中，碳纤维可提供给基体材料最高的比强度以及比模量。碳纤维与玻璃纤维及有机聚合物纤维等相比的一个突出特点就是在室温条件下碳纤维不会产生应力腐蚀和应力断裂^[1]。因此碳纤维复合材料非常适合应用于要求高强度、高刚度、较好的抗疲劳特性且轻质量的环境。此外，碳纤维还具有良好的导电性能与导热性能，热膨胀系数低等优点^[2]。

由于内部结构复杂，导致了碳纤维表面形貌呈现复杂的情况^[3]，不同的表面状态和性质，复合材料的性能会产生大量不同的改变。例如，如果碳纤维的表面粗糙度可以增加，这有利于化学反应，在制造复合材料时，也能够与基材得到更好的化学反应，界面性能提高^[4-6]。另外，不同的表面官能团对碳纤维的表面性能有不同的影响。例如，随着含氧官能团的增加，碳纤维的化学性能越来越好^[7]。由于碳纤维表面具有光滑的石墨结构，碳纤维与基体的界面结合非常弱，碳纤维复合材料在外部负荷作用下容易在界面脱离，因此影响碳纤维增强复合材料的宏观力学性能^[8]。近年来，纳米针和纳米线被接枝在碳纤维的表面，希望通过改进细观尺度上的性能来改善复合材料的表面性能。通过碳纤维表面处理来达到碳纤维力学性能和界面性能的提高是国内外研究的重要课题。

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