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  無(wú)機(jī)-聚合物復(fù)合材料在保持自身輕量化的同時(shí)，具有高的機(jī)械強(qiáng)度和硬度，因此被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域（例如：航空航天、汽車工業(yè)、建筑材料和日常用品等）和先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域（例如：固態(tài)電池、傳感器和驅(qū)動(dòng)器等）。而復(fù)合材料的極限性能取決于增強(qiáng)的類型、聚合物基體以及界面層等多種因素。在各種各樣的填料中，碳纖維（CFs）因?yàn)榫哂袃?yōu)越的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性好、低密度和可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)合材料增強(qiáng)領(lǐng)域尤其具有吸引力。因?yàn)镃Fs和環(huán)氧樹(shù)脂這兩種材料的用途廣泛性，并且這兩種材料復(fù)合后可以提供出高性能的材料，因而使得CFs增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。通常情況下，需要對(duì)CFs表面“處理”來(lái)增強(qiáng)CFs在環(huán)氧樹(shù)脂基體中的分散性。對(duì)CFs表面改性的方法有多種，包括氧化、涂覆施膠劑、納米材料沉積、化學(xué)接枝等等，或者通過(guò)化學(xué)鍵合、范德華力相互作用、表面浸潤(rùn)和機(jī)械互鎖等方式增強(qiáng)與高分子基體的界面粘合。迄今為止，大多數(shù)研究都集中在CFs表面化學(xué)處理對(duì)界面粘合的影響方面。而在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究的同時(shí)，分子動(dòng)力學(xué)模擬也被用于研究處理過(guò)的碳填料和聚合物基體之間的界面相互作用的影響。然而，對(duì)CF/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在長(zhǎng)期條件下機(jī)械性能的影響，特別是在熱老化條件下，很少見(jiàn)到相關(guān)報(bào)道。

  近日，北京化工大學(xué)曹鵬飛教授在ACS Applied Materials & Interfaces 發(fā)表了最新研究性論文“Unravel the Influence of Surface Modification on the Ultimate Performance of Carbon Fiber Epoxy Composites”。該論文報(bào)道了一種直接的方法來(lái)提高CF/環(huán)氧復(fù)合材料的極限性能：通過(guò)對(duì)CFs表面化學(xué)功能化，使得CFs可與環(huán)氧樹(shù)脂基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與之前報(bào)道的CF/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料制備方法不同（通常步驟繁瑣、能耗較大），該方法可化學(xué)批量化對(duì)CFs功能化處理，進(jìn)而提高分散性以及界面結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)減少了復(fù)合材料的缺陷。該研究亮點(diǎn)在于采用有效的化學(xué)改性方法制備了性能優(yōu)異的CF/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，結(jié)合拉曼映射、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）、有限元分析（FEA）等多種先進(jìn)手段深入研究了CFs表面功能化對(duì)CF/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料極限性能的影響機(jī)制，這對(duì)于合理設(shè)計(jì)具有多種用途的高性能填料增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料具有重要指導(dǎo)意義。

1. CF/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備 

圖1. 通過(guò)化學(xué)處理提高CFs與環(huán)氧樹(shù)脂基體界面相互作用示意圖（a）交聯(lián)劑Jeffamine T-403的化學(xué)結(jié)構(gòu)，（b）用于制備環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的環(huán)氧樹(shù)脂前驅(qū)體雙酚A二縮水甘油醚的化學(xué)結(jié)構(gòu)，（c）經(jīng)碾磨長(zhǎng)度為50μm CF的光學(xué)圖像，（d）CFs化學(xué)功能化來(lái)提高與環(huán)氧樹(shù)脂之間的界面相互作用

  CFs先后經(jīng)酸蝕氧化、硅烷偶聯(lián)劑處理（在CFs表面引入氨基）得到氨基功能化碳纖維（s-CF），可作為額外的交聯(lián)劑，以期與環(huán)氧樹(shù)脂基體生成共價(jià)鍵進(jìn)而增加界面粘合力。 

圖2. 處理后的CFs的XPS譜圖。(b) a-CF和s-CF的N1s XPS譜圖。(c)碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的相分離現(xiàn)象:5 wt.% p-CF/環(huán)氧復(fù)合材料的橫截面。(d)相分離5 wt. % p-CF/環(huán)氧復(fù)合材料相分離SEM圖。純環(huán)氧樹(shù)脂、p-CF/、a-CF/和s-CF/環(huán)氧混合物在25℃(e)和75℃(f)時(shí)的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

  XPS結(jié)果表明：CFs經(jīng)酸蝕后在表面成功引入羥基和羧基，隨后經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理后，成功在CFs表面氨基功能化得到s-CF。SEM和AFM表明：s-CF表面形貌和未經(jīng)任何處理的CFs（p-CF）非常相似且s-CF表面最粗糙，因此s-CF可與環(huán)氧樹(shù)脂基體產(chǎn)生化學(xué)交聯(lián)。首先，環(huán)氧樹(shù)脂基體預(yù)熱（50℃、60min）產(chǎn)生初步交聯(lián)，然后，加入一定質(zhì)量份數(shù)的CFs，采用逐步升溫的方式固化，最終得到完全固化的CF/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。SEM表明：p-CF在樹(shù)脂基體中分散較差，而s-CF在環(huán)氧樹(shù)脂基體中可以均勻分散。在流變學(xué)行為方面，值得一提的是，s-CF/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的粘度是最高的，說(shuō)明化學(xué)改性可以提高CFs在環(huán)氧樹(shù)脂基體中的分散性以及兩者之間的相互作用。

2. CFs/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的熱機(jī)械性能

  TGA表明在環(huán)氧樹(shù)脂基體中加入CFs可以提高熱穩(wěn)定性，a-CF/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的T_g顯著低于其他兩種復(fù)合材料，這是因?yàn)?/span>a-CF表面有“空洞”和更高的表面粗糙度，可能導(dǎo)致更多的自由體積進(jìn)而增加了分子鏈的活動(dòng)能力。值得注意的是，由于s-CFs與基體之間生成共價(jià)鍵，使得s-CF/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量、損耗模量均最大，蠕變最小。 

圖3. CF負(fù)載和表面處理對(duì)CF/環(huán)氧復(fù)合材料極限拉伸強(qiáng)度的影響和拉伸后CF/環(huán)氧復(fù)合材料SEM圖