HA/短切碳纤维生物复合材料的制备及性能的研究

论文摘要

本文采用改性碳纤维提高羟基磷灰石陶瓷材料的力学性能,原位复合法（in-suit）制备羟基磷灰石（HA）/短切碳纤维生物复合材料粉体,热压烧结制备复合材料块体,并对制备的复合材料块体进行物理和力学性能测试,对试样断口进行扫描电镜（SEM）分析。实验首先用溶胶-凝胶法（sol-gel）合成了纯羟基磷灰石粉体。对合成的粉体在不同的温度下进行煅烧,用X射线衍射（XRD）仪分析粉体相结构的变化,用谢乐公式计算晶粒的大小。结果表明：随着温度的升高,羟基磷灰石粉体的结晶度升高,衍射曲线逐渐变尖锐,HA衍射峰和标准PDF卡完全匹配,证明实验合成了高纯度的羟基磷灰石粉体；计算表明烧结后粉体晶粒逐渐长大到50nm左右。采用超声波清洗仪对碳纤维（carbon fiber,简称Cf）进行清洗分散处理,为提高材料的界面结合,对分散后的碳纤维进行表面改性处理,并用SEM和傅立叶转换红外光谱（FTIR）仪对碳纤维表面进行分析表征。结果表明：氧化处理后的碳纤维表面变粗糙,用不同浓度的盐酸氧化处理后的碳纤维表面都有大量含氧官能团出现；用浓盐酸和8%氢氧化钠溶液氧化处理后的碳纤维表面腐蚀严重,影响了碳纤维的力学性能。以短切碳纤维为增强相,采用原位复合法制备HA/短切碳纤维生物复合材料粉体；分析了热压烧结温度和压力对复合材料的物理和力学性能的影响,通过分析不同温度下复合材料的XRD谱图,确定最佳烧结工艺条件：真空状态,烧结温度1473 K,烧结压力30 MPa,烧结时间10 min。对制备的复合材料块体进行物理和力学性能测试,利用SEM对复合材料断口形貌进行分析表征。结果表明：复合材料的电阻率极大,超过3.33×106Ω·m,接近于绝缘体；复合材料相对密度、弯曲模量、弯曲强度和断裂韧性在碳纤维质量分数为3%时出现最大值,分别为99.75%、36 GPa、130 MPa和1.82 MPa·m1/2,其中弯曲模量和弯曲强度均达到或超过人体致密骨的平均水平；氧化处理的复合材料力学性能总高于同质量分数的未氧化处理的,弯曲模量、弯曲强度和断裂韧性分别高出30%、25%和17%。SEM断口分析表明氧化处理后的碳纤维与基体结合的更加紧密,当质量分数小于6%时,碳纤维基本可以实现在基体中的均匀分布,超过6%以后,随着聚集的纤维增加,纤维不能在基体中实现均匀分布,力学性能严重下降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 羟基磷灰石及其生物复合材料的研究进展
• 1.2.1 生物材料研究进展
• 1.2.2 羟基磷灰石研究进展
• 1.2.3 羟基磷灰石生物复合材料研究进展
• 1.3 纤维增韧机理的研究
• 1.3.1 纤维增韧机理的研究
• 1.3.2 纤维的尺寸及含量
• 1.4 课题的来源及论文的主要工作
• 第二章 HA/短切碳纤维复合粉体的制备
• 2.1 羟基磷灰石的结构和性质
• 2.1.1 羟基磷灰石的结构
• 2.1.2 羟基磷灰石的性质
• 2.2 羟基磷灰石粉体的合成
• 2.2.1 实验用材料与仪器
• 2.2.2 材料的表征方法
• 2.2.3 溶胶-凝胶法（sol-gel）合成羟基磷灰石粉体
• 2.2.4 不同煅烧温度对羟基磷灰石相结构的影响
• 2.3 HA/短切碳纤维复合粉体的制备
• 2.3.1 碳纤维的表面改性处理与分析表征
• 2.3.2 HA/短切碳纤维复合材料粉体的制备
• 2.4 本章小结
• 第三章 HA/短切碳纤维复合材料块体的制备
• 3.1 热压烧结理论
• 3.2 真空热压烧结制备复合材料块体
• 3.2.1 压力对复合材料致密度的影响
• 3.2.2 烧结温度与烧结时间
• 3.2.3 实验设备
• 3.2.4 实验过程
• 3.3 不同温度下复合材料块体的XRD分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 实验结果及分析讨论
• 4.1 复合材料的性能测试
• 4.1.1 复合材料的密度与相对密度
• 4.1.2 标准试样的制备
• 4.1.3 复合材料的导电性测试
• 4.1.4 复合材料的弯曲强度和弯曲模量
• 4.1.5 复合材料的断裂韧性
• 4.2 复合材料断口分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间的研究成果及发表的硕士论文