超声处理对碳纤维聚芳基乙炔复合材料力学性能与烧蚀性能的影响汇总.docx

1、超声处理对碳纤维聚芳基乙炔复合材料力学性能与烧蚀性能的影响汇总第17卷第4期2009年8月材料科学与工艺MATERIALS SCIENCE TECHNOLOGYVol. 17No. 42009Aug. ，超声处理对碳纤维/聚芳基乙炔复合材料力学性能与烧蚀性能的影响姜再兴，黄玉东，刘丽（哈尔滨工业大学理学院应用化学系，哈尔滨150001）摘要：通过将超声直接作用于聚芳基乙炔树脂（PAA ）的方法，研究了超声处理对PAA 树脂本体的影响，并把超声处理应用于RTM 成型工艺中，研究了超声处理对平板CF /PAA复合材料力学性能与烧蚀性能的影响. 结果表明：经过最佳处理时间60s 左右的超声处理，碳纤

2、维/聚芳基乙炔树脂复合材料的力学性能以及耐烧蚀性能均有所提高. 复合材料综合性能的提高主要是由于超声处理后树脂与纤维之间的浸润性提高，纤维与树脂之间的界面粘结性能得到改善.关键词：超声处理；聚芳基乙炔树脂；烧蚀性能；浸润性+中图分类号：TG113. 226文献标识码：A 文章编号：10050299（2009）04058303Influence of ultrasonic treatment on mechanical performance and ablationperformance of carbon fiber /polyarylacetyleneJIANG Zai-xing ，HUA

3、NG Yu-dong ，LIU li（Dept. of Applied Chemistry ，Harbin Institute of Technology ，Harbin 150001，China ）Abstract ：Influence of ultrasonic treatment on polyarylacetylene （PAA ）resin was studied. The effects of ul-trasonic treatment on mechanical performance and ablation performance of CF /PAAcomposite we

4、re studied as well. The results indicate that the mechanical performance and ablation performance of CF /PAAcomposite are improved after the ultrasonic treatment of 60s. The improvement of composite performance is attributed to the improvement of wetting cap ability of CF and PAA resin after ultraso

5、nic treatment ，which results in the im-provement of interfacial performance of CF and PAA resin.Key words ：ultrasonic treatment ；polyarylacetylene resin ；ablation performance ；wetting capabilityRTM 工艺以其成本低、效率高、产品质量好、对环境污染小等优点，成为聚合物基复合材料低13. 目前开发成本化技术发展的主要方向之一的适于RTM 工艺的树脂主要有环氧树脂、双马来聚苯乙烯封端树脂、乙烯基树脂、酚酰亚

6、胺树脂、醛树脂和聚芳基乙炔树脂（PAA ）等. 其中PAA树脂近年来研制出来的新型树脂，具有残炭率高、收稿日期：20061023.基金项目：国家自然科学基金重点项目（50333030和50603004）；黑龙江省杰出青年科学基金（JC0412）.作者简介：姜再兴（1981），男，博士研究生；黄玉东（1964），男，教授博士生导师.mail ：huangydhit. edu. cn. 联系人：黄玉东，E-防热耐烧蚀优异等优点，其与碳纤维（CF ）织物通过RTM 成型组成的复合材料广泛用于航空、航天PAA 树脂又等领域. 但是碳纤维的表面呈惰性，是非极性树脂，这就导致纤维与树脂基体间浸润复合后材料

7、的界面性能受到影响，限制了性较差，4，5，其在各种高技术领域中的应用这就需要对纤维或树脂进行改性处理. 然而，由于RTM 工艺对封闭型要求很高，目前适用于RTM 成型工艺的配套改性方法很少. 本文采用超声对PAA 树脂进行处理，研究了超声处理对树脂本体的影响，并把超声处理应用于RTM 成型工艺中，研究了超声处理对平板CF /PAA复合材料力学性能的影响.584材料科学与工艺第17卷11. 1实验应将超声处理75s 后的树脂放置不同的时间，研究放置时间对处理效果的影响. 测试结果如图2所示.S u r f a c e t e n s i o n (N /m 原材料平板CF 织物和PAA 树脂均由

8、北京航天材料工艺研究所提供. 1. 2超声处理将自制的超声系统直接作用于PAA 树脂上，超生系统功率为120W ，电压调节到150V ，微调频率旋钮，使频率达到谐振状态. 1. 3粘度和表面自由能测量根据GB7193. 1，采用NDJ 1旋转粘度计（上海天平厂）测量超声处理不同时间后的PAA 树脂的粘度变化. 在SB312浸润仪（北京科恩仪器公司）上，采用Wilhelmy 吊板法测量超声处理不同时间后的PAA 树脂的表面自由能变化：2（l +d ）=f /f 是PAA 树脂对吊板施式中：为液体的表面能，l 和d 分别为吊板的宽度和厚度. 加的最大力，Treated time/s图2超声处理后P

9、AA 树脂粘度的退化效应从图2中我们可以看出，超声处理后的树脂体系在放置30min 时间内，粘度的变化很明显，而在以后的放置时间内树脂体系粘度的变化并不明显，当时间超过45min 后，树脂体系的粘度又逐渐增加. 这是由于超声处理使树脂体系获得强大的声能，促使体系中分子激发到较高的能级，活化了分子. 当放置很短的一段时间内，由于受激的分子要通过运动来传递所获得能量，因此，这需要一段时间. 当体系的分子都获得到能量后粘度就会保持一段时间. 当放置时间超过一定时间后，受激的从而体系的粘度随放分子又恢复到原来的状态，置时间的延长，呈现逐渐增加的趋势.3）超声处理时间对PAA 树脂表面张力的影响分别将不

10、同超声处理时间的树脂置于浸润仪SB31213中，在60 的水浴环境下测量树脂的表面张力，3.22. 1结果与讨论超声处理对PAA 树脂体系的影响1）超声处理时间对PAA 树脂粘度的影响将树脂体系置于温度为60 的水浴环境下，然后进行不同时间的超声处理，测量其粘度. 测试 1.F l o w t i m e /sTreated time/sS u r f a c e t e n s i o n (N /m Treated time/s图1超声处理对PAA 树脂粘度的影响从图1中我们可以看出：随着作用时间的增PAA 树脂体系的粘度呈现先降后升的趋势. 加，当处理时间为75s 时，树脂的粘度值达到最

11、低. 产随着超声处理时间的生这种作用的原因主要是，延长，树脂获得的能量增加，超声的空化效应更加使得粘度随处理时间的延长而呈下降的趋显著，树脂体系在超声作用下引势；当处理时间过长时，发交联反应，使树脂发生部分交联，从而树脂的粘度在超声作用时间超过75s 后呈现上升趋势. 2）超声处理时间后PAA 树脂粘度的退化效图3超声处理时间对PAA 树脂表面张力的影响从图中我们可以得出：超声处理150s 内树脂体系表面张力先下降再上升，处理45s 时树脂体系表面张力最小，并且都低于未处理的样品. 处理.第4期姜再兴，等：超声处理对碳纤维/聚芳基乙炔复合材料力学性能与烧蚀性能的影响585聚芳基乙炔树脂体系表面

12、张力随处理时间的这一变化趋势说明：一定的超声能量作用于树脂体系，瞬间就可以引发空化效应，时体系表面张力下降，在一定时间范围内，随着超声处理时间的延长，超声的能量不断地传递到树脂体系中，使体系内的气泡依次地发生空化效应，因此，这段时间内由于空化效应引起的局部区域高温使树脂体系的表面张力下降. 当超声处理超过一定时间，表面张力又有所回升，这是由于树脂体系在高强超声作使分子量有所增加用下部分地发生了交联反应，引起的.4）超声处理的PAA 树脂表面张力的退化效应将超声处理45s 后的树脂体系放置不同的时间，研究放置时间对处理效果的影响. 测试结果如图4 .复合材料力学性能的提高. 其中弯曲强度从225

13、. 4MPa 提高到269. 6MPa ，拉伸强度从319. 9MPa 提高到396. 7MPa. 从表1也可以看出经过超声处理的样品的耐烧蚀性能有一定的提高，线性烧蚀降低10%以上. 超声处理后复合材料力学性能以及耐烧蚀性能的提高主要来源于超声处理后树脂与纤维之间浸润性的提高，纤维与树脂之间的界面粘结性能得到改善. 超声处理后树脂的粘度降低，流动性增强，从而更加容易的进达到良好入CF 板中纤维束与纤维束的缝隙中，的浸润效果. 树脂体系的表面张力的大小也是影响PAA 对CF 浸润行为的重要因素. 根据表面张力学原理，只有纤维的表面张力大于树脂的表面张力时，才有利于形成最佳的界面结合. 从2.

14、1部分的讨论可知，超声处理后树脂表面张力降低，有利于树脂对纤维的浸润. 因此，超声处理后，纤维与树脂之间的浸润性得到改善，从而界面粘结性能提高，所以超声处理后CF /PAA复合材料的力学性能与烧蚀性能有所提高.UntreatedTreated with ultrasonicS u r f a c e t e n s i o n (N /m Time/min图4超声处理后PAA 树脂表面张力的退化效应从图4中可以看出：树脂体系的表面张力随着放置时间的变化趋势与粘度的变化趋势是一致树脂体系内的的. 说明超声作用后的一段时间内，分子由超声空化效应引起的高速运动、体积膨胀以及物理交联点的减少可以缓慢趋

15、于稳定状态. 当放置时间过长时，被超声作用处于活化态的分子逐渐退化到原始状态，而使表面张力有所回升. 2. 2超声处理对CF /PA复合材料力学性能与烧蚀性能的影响通过对2. 1部分实验的总结，综合超声处理确定最时间对PAA 树脂粘度与表面张力的影响，佳处理时间为60s 左右. 因此，把超声处理用于平板CF /PAA复合材料RTM 成型工艺中，并通过计算与实验验证保证超声处理流动树脂的时间为60s 左右，从而使树脂的粘度与表面张力都比较低，达到最好的处理效果. 超声处理前后平板CF /PAA 复合材料的力学性能与烧蚀性能分别如图5与表1所示. 5CF /PAA图5表1S t r e n g t

16、 h /M P a超声处理对CF /PAA复合材料力学性能的影响超声处理对CF /PAA复合材料烧蚀性能的影响未处理超声处理0. 282012. 218. 5线烧蚀率（mm /min）时间（s ）背面温度（ ）0. 314412. 016. 03结论1）通过研究超声处理对PAA 树脂体系粘度以及表面张力的影响确定最佳的超声处理时间为60s 左右.2）通过将超声处理用于复合材料的RTM 成型工艺中，研究了超声处理对CF /PAA复合材料力学性能与烧蚀性能的影响. 结果显示：超声处理后，复合材料的力学性能与耐烧蚀性能均有所提高. 复合材料学性能与耐烧蚀性能的提高主要是）第4期孙晓君，等：Zn x

17、TiO y N z 的制备及其在可见光下制氢的研究589Zn x TiO y N z 没有呈现出光催化产氢的活性. 当时，Pt 的负载量较低时，产氢速率较低，随着Pt 负载量的增大，其产氢速率也随之增大. 当Pt 负载量达到1. 8wt%时，产氢速率达到最大，其值为36. 2mol h 1. 当Pt 负载量继续增大时，产氢速率反而下降. 这是因为随着Pt 的负载量的增大，导致催化剂受光辐照的有效面积减少，使光激发产生的电子、空穴数目减少，最终导致催化剂的光催化活性下降.ic reduction of water by TaON under visible light irradia-tion

18、J . Catalysis Today ，2004，90：313317. 3MAEDA K ，TERAMURA K ，DOMEN K ，et al. Overallwater splitting on （Ga 1x Zn x ）（N 1x O x ）solid solution photocatalyst ：Relationship between physical properties and photocatalytic activity J . Phys. Chem. B ，2005，109：2050420510.4SIMON J C ，KATHARINE A ，HARDSTONE K

19、，et al.High temperature synthesis and structures of perovskite and n =1ruddlesden popper tantalum oxynitrides J . Chem. Mater. 2002，14：26642669.5SCAIFE D E. Oxide semiconductors in photoelectro-chemical conversion of solar energy J . Solar Energy ，1980，25（1）：4154.6KUDO A ，KATO H ，TSUJI I ，et al. Str

20、ategies for thedevelopment of visible light driven photocatalysts for water splitting J . Chem. Lett. ，2004，33：15341539.7WEI S H. Role of metal d states in II VI semiconduc-tors J . Phys. Rev. B ，1988，37：8958.8WANG D F. Photocatalytic degradation of MB onMIn 2O 4（M =alkali earth metal ）under visible

21、 light ：effects of crystal and electronic structure on the photocat-alytic activity J . Catalysis Today ，2004，93：891894.9FOX M A ，DULAY M Y. Heterogeneous photocatalysisJ . Chem. Rev ，1993，93（1）：341357.3结论1）通过溶胶凝胶法和高温固相氮化法成功地制备出具有可见光响应的Zn x TiO y N z 光催化剂.2）通过对所制样品的光催化产氢活性比较，确定其最佳焙烧温度为1073K ；Pt 的最佳负

22、载量1为1. 8wt%，此时，产氢速率为36. 2mol h .3）Zn x TiO y N z XPS 和UV VIS 分析表明其元素组成为Zn 0. 8TiO 1. 69N 0. 74，其吸收边为530nm （对应的带隙能为2. 38eV ）.参考文献：1ASAHI R ，MORIKAWA T ，OHWAKI T ，et al. Visiblelight photocatalysis in nitrogen doped titanium ox-ides J . Science ，2001，293（5528）：269.2HARA M ，TAKATA T ，DOMEN K ，et al. Ph

23、otocatalyt-（编辑张积宾）（上接第585页）因为超声处理后树脂对纤维浸润性提高，纤维与树脂之间的界面粘结性能得到改善，因此，超声处理后复合材料的综合性能得到提高.3Abali F ，Shivakumar K ，Hamidi N. An RTM densifica-tion method of manufacturing carbon carbon composites using Primaset PT 30re sin J . Carbon ，2003，41：893901.4Bismarck A ，Wuertz C ，Springer J. Basic surface oxideson carbon fibers J . Carbon ，1999，37：10191027. 5Kobets L P ，Deev I S. Carbon fibers ：structure and me-chanical properties J . Comp Sci Tech ，1997，57：15711580.参考文献：1陈祥宝. 先进树脂基复合材料的发展J . 航空材料2000，20（1）：4654. 学报，2梁志勇，仲伟虹，张佐光，等. 复合材料成型新技术RTM 及其在汽车工业中的应用J . 纤维复合材料，1995，3（1）：4044.（编辑张积宾）