摘要
高模量碳纤维(HMCF)相比标准型碳纤维具有更为极致的模量，因此被广泛应用于对材料自身性能要求更高的航空航天、风电叶片等领域。但由于HMCF表面惰性极高，树脂基体无法在其表面充分润湿，导致复合材料出色的性能无法充分发挥，故需要对其表面进行改性。目前大多数HMCF表面改性技术工艺复杂，难以实现大规模工业化的应用转型。因此，研究适用于目前工业装备的高性能HMCF表面改性技术具有重要意义。 本文利用Ti3C2TxMXene二维纳米材料良好的亲水性能，以MXene水分散液和环氧乳液上浆剂机械共混得到的MX/EP复合型上浆剂对HMCF进行了表面改性，并研究了MXene片径及负载量对HMCF表面性能及其复合材料界面性能的调控规律。此外，为了进一步推动MXene改性HMCF的发展，首次尝试以电沉积MXene方式对HMCF进行了改性，并分析了所得产物的表面性能及其复合材料的界面和阻燃性能。 (1)采用盐酸(HCl)和氟化锂(LiF)混合溶液刻蚀方法制备了“手风琴”形貌的多层Ti3C2TxMXene材料，并利用X射线光电子能谱(XPS)和热重分析(TG)对其表面化学状态和热稳定性进行了分析表征。结果证明，Ti3C2TxMXene表面含有-OH、=O和-F基团，且在氮气中的热分解温度达到678.4℃，在空气中开始氧化温度为314.3℃，最终的氧化分解温度为742.5℃。之后利用超声和高能球磨技术对多层Ti3C2TxMXene进行了剥离及尺寸调控的探索，并以扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和激光粒度分析技术进行了表征。结果证明，通过改变时间可同时达到剥离片层及调控片径尺寸的目的。当超声时间为2h和4h时，粒径小于0.5μm的MXene片层所占比例分别为57.2％和80.0％;当球磨时间分别为12h和16h时，片层剥离效果明显，分别得到平均片径为15μm和0.5μm的少层Ti3C2TxMXene。最后以机械共混的方式分别得到了稳定性较高的MX/EP复合型上浆剂和MXene电泳液。 (2)采用上浆技术以不同片径及浓度的MX/EP上浆剂对HMCF进行了改性处理。SEM结果表明，0.5μm的Ti3C2TxMXene纳米片在纤维表面形成了数量众多的小凸起微观结构，可作为与树脂基体机械啮合的结合位点。TG结果表明，MX/EP上浆剂在HMCF表面的涂覆可明显提高其耐热性能，在上浆剂浓度为2.0mg/mL时，改性后CF在失重5％时的对应温度为641.1℃，与处理之前相比提高了近140℃，并且热失重速率也大幅度降低。动态接触角及表面能结果显示改性后碳纤维表面的润湿性能提高显著，特别是当MX/EP上浆剂浓度为1.0mg/mL时，纤维表面能值达到了48.16mN.m-1，相比未上浆碳纤维提高了241.8％。而此时所对应的CF/EP复合材料的层间剪切强度(ILSS)也达到了最大值85.9MPa，与未上浆纤维相比分别提高了47.1％。主要原因为HMCF表面能的大幅度提升改善了树脂基体在其表面的润湿性。此外，纤维表面的众多小突起结构也起到了机械啮合和增强界面层结合强度的作用。 (3)以电泳沉积技术将Ti3C2TxMXene引入到HMCF表面。SEM及XPS结果证明，通过控制沉积电压可调控MXene在纤维表面的沉积密度及O/C比例，特别是当沉积电压为15V时，MXene在HMCF表面实现了均匀且较高密度的沉积，O/C比例相比未上浆CF提高了215％。动态接触角测试结果证明，在沉积电压为15V条件下，纤维的表面能相比未上浆纤维提高了102.0％。主要是因为MXene的引入改善了树脂基体在HMCF表面的润湿性，且增强了两相间的机械结合作用，使得改性后的CF/EP复合材料的ILSS值相比未上浆纤维提高了40.9％。此外，Ti3C2TxMXene在HMCF表面的引入还显著改善了CF/EP复合材料的防火阻燃性能，极限氧指数(LOI)相比处理前提高了32.9％。
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