纤维增强环氧树脂复合涂层的抗冲蚀性能及机制研究

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纤维具有较大的比表面、较高的长径比、高强度、耐腐蚀等优异性能,而被用于各种环氧树脂复合材料的增强材料。纤维表面结晶度高、表面光滑、表面能较低、呈化学惰性,导致纤维与树脂之间的界面结合性能较差。纤维复合材料的性能远低于纤维本身的性能,这严重的限制了纤维增强环氧树脂复合材料的性能以及应用领域。所以,需要研究纤维表面改性来调控纤维与树脂间的界面性能以提高纤维增强复合材料的性能。本文就解决纤维与环氧树脂基体之间的界面结合差的问题出发,考察了两种聚合物改性纤维增强环氧树脂复合涂层的力学、摩擦磨损、深海腐蚀、冲蚀磨损性能,并讨论不同纤维比例以及不同改性方法对纤维增强环氧树脂复合涂层性能的影响,分析了聚合物改性纤维作为填料在冲蚀过程中的作用机制。主要研究内容和结论如下:(1)提出了一种通过静电自组装改性碳纤维与芳纶纤维的方法,考察了纤维改性后用于提高纤维/环氧树脂的界面结合强度、力学性能、耐磨损性能和抗冲蚀性能。通过综合实验表征,深入分析了材料的表面形貌、化学结构、键合和冲蚀性能。随后,对碳化硅与水混合砂浆对涂层的冲蚀行为机理进行了深入研究。与芳纶纤维/环氧树脂(AF/EP)界面和碳纤维/环氧树脂(CF/EP)界面相比,壳聚糖改性芳纶纤维/环氧树脂(MAF/EP)界面和壳聚糖改性碳纤维/环氧树脂(MCF/EP)界面的界面剪切强度(IFSS)的改善幅度分别为15.61%和18.06%。与MAF/EP相比,MCF/EP复合涂层的抗拉强度提高了12.13%,磨损率和冲蚀量分别降低了62.18%和50.38%。结果表明,MCF/EP复合涂层的力学性能、耐磨性和抗冲蚀性均显著提高,MAF纤维和MCF纤维通过阻隔、断裂、剥离等方式来耗散Si C颗粒的冲击能量并阻碍Si C颗粒进一步的冲击。两者的区别在于MAF的破坏更严重,形成“扫帚状”结构来“捕获”侵蚀的Si C颗粒,并在一定程度上阻止后续颗粒对涂层的持续冲击。MCF在冲蚀过程中被破坏的程度相对MCF较轻,仅发生轻微断裂,更多的颗粒会反弹,减轻了冲蚀颗粒对复合涂层损伤程度。(2)采用超支化聚合物改性碳纤维以提高纤维与环氧树脂界面结合力。超支化聚合物改性碳纤维(CF-HBP)与树脂间有最强界面性能,通过微珠脱粘实验测得CF-HBP/EP的IFSS相较CF/EP提升了72.26%。CF-HBP与环氧树脂间较高的界面结合力,有效的提升了复合涂层的力学性能,与CF/EP相比拉伸强度提高了7.4%,断裂伸长率提升了22.67%。同时,CF-HBP/EP涂层具有优秀的防腐性能,在20MPa深海腐蚀环境下经过20 d的浸泡,其低频阻抗值仍然保持在1010Ω·cm~2,并且CF-HBP与树脂基体间仍然保持着良好的界面结合。并且,由于CF-HBP表面大量的氨基官能团的存在,纤维与树脂之间交联形成网络结构,界面结合牢固不易失效,使其具有优异的抗冲蚀能。其冲蚀坑的深度与纯环氧树脂涂层相比降低25.92%。
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