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ZnO改性碳纤维/环氧复合材料制备及其电子辐照效应研究

【摘要】:碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CF/EP复合材料)因其具有高的比强度和比模量,在航空航天、军事和民用等领域具有广泛的应用。碳纤维(CF)为类石墨结构,表面光滑,几乎没有任何官能团,不利于环氧树脂(EP)与CF间的界面结合。基于此,本论文通过原子层沉积技术(ALD)在CF表面沉积Zn O对其进行改性处理,改善CF与树脂基体间的润湿性,提升CF与EP基体界面结合强度,从而增强Zn O改性CF/EP复合材料的层间剪切性能,并探究高能电子辐照对Zn O改性CF/EP复合材料的损伤效应及机制。采用ALD技术在CF表面沉积Zn O薄膜对其进行表面改性,通过调节Zn O沉积循环周期工艺参数控制Zn O薄膜的厚度,与EP复合制备Zn O改性CF/EP复合材料;通过层间剪切强度(ILSS)测试优化Zn O改性CF/EP复合材料的制备工艺参数,并对其层间剪切性能增强机理进行了分析。研究结果表明,当Zn O沉积循环周期为20 cycle时,制备的Zn O改性CF/EP复合材料ILSS呈现最大值(76.5MPa),相比未改性CF/EP复合材料提升了23.2%;XRD表明沉积的Zn O薄膜为六角纤锌矿晶体结构;SEM和XPS测试表明CF表面沉积的Zn O薄膜表面富含活性羟基,且与CF是通过C-O-Zn键的形式结合;动态润湿角测试表明Zn O沉积改性改善了CF与EP基体的润湿性,上述研究结果表明Zn O改性CF/EP复合材料层间剪切性能增强主要归因于CF表面沉积的Zn O含有丰富的极性羟基,其能够改善CF与EP基体的润湿性,且能够在EP基体的固化反应时形成牢固的化学键结合,提高了CF与EP的界面结合强度,进而增强了Zn O改性CF/EP复合材料的层间剪切性能。通过高频高压电子加速器装置模拟空间高能电子辐照试验,研究不同辐照注量的高能电子辐照对Zn O改性CF/EP复合材料的损伤效应,通过测试和分析辐照后复合材料的宏微观形貌、质量损失率及表面化学基团的变化情况,利用CASINO模拟软件分析高能电子辐照对Zn O改性CF/EP复合材料的损伤机制。研究结果表明随着辐照注量的增加,Zn O改性CF/EP复合材料的颜色逐渐加黑,质量损失率逐渐增加,ILSS随着辐照注量的增加呈现出先升高后降低的趋势。SEM、FTIR及CASINO软件模拟结果表明Zn O改性CF/EP复合材料中的EP基体在高能电子辐照作用下的交联和降解是引起复合材料层间剪切性能变化的主要因素。

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