表面改性CF_PPS复合材料界面性能研究.pdf

哈尔滨工业大学硕士学位论文

摘要

聚苯硫醚（PPS）作为树脂金字塔顶端的特种工程塑料之一，具有优异的耐高

温、耐腐蚀、耐辐射、阻燃性、尺寸稳定性等诸多优势，其被誉为八大宇航材料之

一。由于其本身的存在脆性大、韧性差、强度低等力学性能劣势，通常采用纤维复

合化来提高其力学性能，其中与碳纤维（CF）制成的碳纤维增强聚苯硫醚（CF/PPS）

复合材料在航空航天、汽车部件等领域具有巨大的应用潜力。界面作为复合材料分

散应力和传递载荷的组成部分，影响着复合材料的整体性能，由于PPS树脂的高熔

点、高粘度、低化学活性和CF自身的化学惰性、上浆剂热稳定性差等原因，CF/PPS

复合材料的界面性能不佳，本文旨在探究一种高效界面改性方法并探究其机理。

本论文制备了磺化聚苯硫醚（SPPS），并测定了不同反应时间的磺化度，最高

值为24.9%。对SPPS进行热稳定性、成分、结构表征，结果显示磺化度为24.9%的

SPPS，在330℃的热压温度下，热失重小于10%（约5%热失重为吸附水的质量），

满足作为CF/PPS复合材料热压工艺的热稳定性需求。

通过在A-CF表面上浆SPPS（SPPS-CF），大幅提高其表面能，相比于退浆碳

纤维（D-CF）提升幅度高达59.6%。研究了酸化处理对复合材料界面性能的影响，

通过0.4%浓度的SPPS分别上浆D-CF和A-CF，结果表明酸化可以提高界面性能与稳

定性。研究了SPPS上浆浓度对复合材料界面性能的影响，结果显示层间剪切性能

随SPPS浓度提高，出现先增加后降低的现象，最佳上浆浓度为0.4%，层间剪切强

度提高72.5%，分子动力学模拟计算D-CF与SPPS-CF界面能，改性界面能提高81.2%。

本论文使用聚乙烯亚胺（PEI）为过渡层，在CF表面引入CNTs分级结构，并在

其表面上浆SPPS（SPPS+PEI-CNT-CF）。纤维表面能测试表明，改性后纤维表面

能提高104.9%。分别研究了CNTs浓度、SPPS上浆、PEI浓度对层间剪切性能的影

响，其最大提高幅度仅为28.6%，这与表面能测试相差较大。结果表明此方法下，

界面性能主要受过渡层PEI的影响，CNTs浓度和SPPS上浆没有起到增强效果。

通过在CF表面引入氨基化碳纳米管，并在其表面上浆SPPS（SPPS+CNT-NH-

2

CF）。纤维表面能测试结果表明，改性后纤维表面能提高105.6%。经过分子动力

学计算，在界面处引入CNTs后，其界面能提高幅度为287.9%。研究CNTs浓度对复

合材料界面性能的影响，结果表明：随着CNTs浓度的提高，其层间剪切强度先增

大后减小，CNTs浓度为0.1%时为最佳改性浓度，层间剪切强度提高幅度为56.5%。

关键词：CF/PPS、界面、磺化、碳纳米管、层间剪切

-I-

哈尔滨工业大学硕士学位论文

Abstract

Polyphenylenesulfide(PPS)isoneofthespecialengineeringplasticsatthetopof

theresinpyramid,knownforitsexcellenthightemperatureresistance,corrosion

resistance,radiationresistance,flameretardancy,dimensionalstabilityandother

advantages.Itisconsideredoneofthetopeightaerospacematerials.Duetoitsinherent

disadvantagesinmechanicalpropertiessuch