基于激光拉曼技术的芳纶/环氧复合材料界面微观结构表征及粘结机理研究

The aramid III fibers, with our own intellectual property rights, are modified by low temperature inductively coupled plasma (ICP) in this project. The aramid III fiber surface chemical structure, surface element composition, surface morphology and roughness, surface wettability with different plasma treatment conditions including atmosphere, power, time and pressure are characterized, respectively; Then, based on the Laser Confocal Raman Spectroscopy technique, the interface layer delamination and structure characterization for aramid III fiber reinforced epoxy resin matrix composite are obtained. The interface of aramid fiber reinforced epoxy composite are peeled layer by layer and in situ characterized by adjusting the laser energy, the excitation wavelength (UV and visible light) and irradiation time. The effects of plasma treatment on interface micro-structure are investigated; The relationship between composite interfacial microstructure and macroscopic properties are established through testing the composite interface performance, thermal and mechanical properties. And then, the interfacial bonding mechanism for composite are analyzed. Not only this research project provides a new way for interface characterization of advanced composites, but also a reliable theoretical guidance and experimental basis for interface structure design and application of advanced composites in aerospace fields.

本项目拟采用低温射频耦合等离子体（ICP）对具有我国自主知识产权的芳纶III纤维进行表面改性，研究等离子体处理工艺参数（气氛、功率、时间和气压）对芳纶III纤维表面化学结构、元素组成、表面形貌、粗糙度和浸润性能的影响及变化规律。利用激光显微共焦拉曼技术通过调节激光能量、激发波长（紫外光和可见光）和采集时间等参数实现对芳纶纤维增强环氧树脂基复合材料的界面的分层剥离和结构表征。系统研究等离子体处理工艺参数对界面微结构的影响。并通过对复合材料界面性能、热性能以及力学性能的研究，建立复合材料界面微结构与宏观性能的关系。分析复合材料的界面粘结机理。本项目的研究不仅为先进复合材料的界面结构表征手段提供一条崭新的途径，同时也为复合材料界面结构设计和先进复合材料在航空航天领域的应用提供可靠地理论指导和实验依据。

本课题旨在解决先进树脂基复合材料界面微观结构表征和揭示复合材料界面微结构与宏观性能关系为基本出发点，以芳纶 III /双马复合材料为模型材料体系，采用低温射频耦合等离子体（ICP）对芳纶 III 纤维进行表面改性，开展基于激光共焦显微拉曼技术的芳纶纤维增强双马树脂基复合材料的界面层结构表征和粘结机理研究的工作。主要完成了四个方面的研究内容：1.利用FTIR、XPS、AFM、SEM和DCA等手段研究了等离子体处理工艺参数（气氛、功率、时间和气压）对芳纶III纤维表面化学结构、元素组成、表面形貌、粗糙度和浸润性能的影响及变化规律。2. 利用万能材料试验机、DMA和吸水率等手段系统研究了等离子体处理工艺参数对芳III/双马复合材料界面性能、热机械性能以及力学性能的影响。通过SEM扫描复合材料界面破坏形貌，分析了复合材料的界面粘结机理。3. 利用拉曼光谱技术表征了单丝复合材料界面微观结构。考察了等离子体处理对界面微观结构的影响。4. 通过耐湿热性能、SEM破坏形貌初步测试了等离子体时效性复合材料界面性能的影响。通过本课题的研究得到了如下的结果：等离子体处理在不改变本体结构的前提下，增加纤维表面的极性基团、增大纤维表面粗糙度和提高纤维表面的浸润性能。最终使得复合材料层间剪切强度大幅度提高，由未处理时的49.35 MPa提高到等离子体处理后的65.99 MPa，复合材料的耐湿热性能有所提高。上述研究结果已发表论文9篇，在投3篇。本项目的研究不仅为先进复合材料的界面结构表征手段提供一条崭新的途径，同时也为复合材料界面结构设计和先进复合材料在航空航天领域的应用提供可靠地理论指导和实验依据。