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          碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的研究現狀

          放大字體  縮小字體 發布日期:2018-01-20  來源:復材應用技術網  瀏覽次數:1341
          核心提示:綜述了國內碳纖維增強聚酰胺(PA6)、聚醚砜(PES)、聚碳酸酯(PC)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜酮(PPESK)、聚醚醚酮(PEEK)
                 綜述了國內碳纖維增強聚酰胺(PA6)、聚醚砜(PES)、聚碳酸酯(PC)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜酮 (PPESK)、聚醚醚酮(PEEK)、熱塑性聚酰亞胺(PI)等熱塑性樹脂復合材料研究現狀,對比了熱固性樹脂基復合材料與熱塑性樹脂基復合材料性能及成型工藝方面的差異,并對碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的成型方法,碳纖維質量分數、長度和表面處理方法對復合材料性能影響的一般規律作了總結。

                 以熱塑性樹脂為基體,以纖維為增強體而制成的復合材料——纖維增強熱塑性樹脂基復合材料(FRTP)是近年來發展迅速的一類纖維增強復合材料。與以往傳統的纖維增強熱固性樹脂復合材料(FRP)相比,FRTP具有很多優點:①密度小,強度高。鋼材的密度為7.88 g/cm3,FRP的密度為1.7~2.0 g/cm3,FRTP的密度為1.1~1.6 g/ cm3,僅為鋼材的16%~20%,比熱固性玻璃纖維復合材料(GFRP)的密度還要小。因此,他能夠以較小的單位質量獲得更高的力學性能。②韌性比較高。以環氧樹脂和PA為例,環氧樹脂的斷裂后伸長率<10%,而PA的斷裂后伸長率則可達60%。③熱塑性樹脂成型過程中無需化學反應,因此成型周期短。④可重復利用。熱塑性樹脂可反復加熱冷卻成型,廢料可回收利用,達到節能環保的目的。⑤選用PPS、PEEK等耐熱工程塑料作復合材料的基體,可以使得復合材料在更高的溫度下使用。所以FRTP越來越受到人們的重視,在航空、體育、汽車等領域的應用日漸增長。

                 碳纖維(Carbon fiber,CF)是由有機纖維在惰性氣氛中經高溫碳化而成的纖維狀聚合物碳。CF具有很高的抗拉強度,其抗拉強度是鋼材的2 倍和鋁6 倍,模量是鋼材的7 倍和鋁的8 倍。與熱塑性樹脂復合后,更能進一步提高熱塑性樹脂的性能,擴大應用范圍。以PPS為例,CF增強PPS復合材料已用在空客A340和A380飛機機翼的主椽上。美國新澤西Summit的高爾夫球桿制造商Phoenixx golf公司選用CF增強線型PPS來制造高 爾夫球桿。

          1 碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料(CFRTP) 的研究現狀

          1.1 CF增強PA

          聚酰胺樹脂(PA)是具有許多重復的酰胺基的線型熱塑性樹脂的總稱,俗稱尼龍,商品有PA6、PA1010等。PA6本身就是性能優異的工程塑料,但吸濕性大,制品尺寸穩定性差,強度和硬度也不如金屬。用CF增強改性后,大大提高了PA的力學性能,改性后即可作為結構材料承受載荷,又 可作為功能材料發揮作用。孫偉等[4]用雙螺桿反應擠出制備了CF/PA6復合材料(CFRPA6),并考察了CF表面處理方法、CF的質量分數和初始CF長度 對CFRPA6性能的影響。指出經過表面處理的CF增強效果較未經表面處理的明顯變好,用液相氧化+ 硅烷偶聯劑復合處理法比氣相氧化和液相氧化的表面處理法要好;CF質量分數9%時,CFRPA6的力學性能最好;CF長度10 mm比5 mm更有利于增強復合材料的各項力學性能,而且并不影響擠出和 CF在CFRPA6中的分散效果。

          葛世榮等采用溶劑濕法超聲法將空氣氧化處理的CF與PA1010混合,而后使用微型注塑機注塑成型。研究發現CF表面氧化處理提高了CF 與PA1010的粘結力;隨著CF體積分數的增加,CFRPA1010的抗拉伸強度和洛氏硬度先增加后下降,當CF體積分數為20%和30%時,CFRPA1010 的抗拉伸強度和洛氏硬度分別達到了最大值;CFRPA1010的摩擦系數隨著CF體積分數的增加而降低,當CF體積分數達到20%時,摩擦系數穩定在0.24左右。

          1.2 CF增強PES

          PES是英國ICI公司在1972年開發的一種綜合性能優異的熱塑性高分子材料,是目前得到應用的為數不多的特種工程塑料之一。由于它具有優良的自潤滑性,加之電絕緣性及阻尼性好,并且可以采用擠出和注塑成型,因而特別適合用于制作干滑動元件,用CF作填料的CFRPES摩擦系數低且耐磨性好。趙偉巖等[6]采用模壓工藝制備CFRPES,并考察CF體積分數及長度對CFRPES/ 固體潤滑劑/PTFE(聚四氟乙烯)復合材料摩擦性能的影響。研究發現隨著CF體積分數的增加,復合材料的硬度增加;抗沖擊強度隨CF體積分數增加,先增加后下降,在10%~20%之間達到最高;隨著CF體積分數的增加,材料儲能模量增加,而損耗角正切逐漸減小,并在CF體積分數達到20%以后漸趨平緩;對于長度為40 µm及100 µm的CF,100 µm的CF增強效果更佳。鄭亮[7]等采用溶液浸漬法制備連續CF增強PES、PPESK、PPBES(共聚型二氮雜萘酮聯苯結構聚醚砜)、PEI(聚醚酰亞胺)預浸料,而后將預浸料熱壓成型制備CF/PPESK、CF/PPBES、CF/PPESK/PES、CF/PPESK/PEI復合材料。研究發現用溶液浸漬法制備的復合材料纖維在樹脂基體中分布均勻,纖維與樹脂的粘結性能良好;聚合物溶液的粘度越低,浸漬效果越好;所制備的各種樹脂基復合材料力學性能隨CF體積分數的增加,都呈現先增大后減小的趨勢。

          1.3CF增強PC

          PC是一種應用廣泛的工程塑料,把CF與PC復合后,可進一步提高PC的各種性能,擴展它的應用領域。李春華等[8]用雙螺桿擠出法制備CFRPC,并研究了纖維表面處理、纖維長度、纖維體積分數及擠出成型工藝對復合材料性能的影響。研究發現,用液相氧化+硅烷偶聯劑復合處理法比氣相氧化和液相氧化的表面處理法要好;CF 體積分數增加后,復合材料的力學性能得到顯著提高,熱變形溫度也得到了明顯提高;當CF體積分數為13%時,抗屈服強度比純PC提高了32%,彈性模量提高了近1 倍,熱變形溫度提高了43 ℃;CF長度10 mm比5 mm更有利于增強復合材料的各項力學性能。

          1.4 CF增強PPS

          PPS是一種半結晶熱塑性樹脂,具有卓越的力學性能、耐化學侵蝕性、阻燃性等。張隨山等[9]用懸浮熔融法制備CFRPPS預浸帶,采用模壓工藝制備了CFRPPS。制備的復合材料有很好的力學性能及優良的耐溶劑性,PPS與CF之間的粘結性能優良,證明用懸浮熔融法制備連續CF增強PPS 預浸料是可行的。邱軍等[10]用冷壓燒結制備了CFRPPS。研究發現CF(布)的體積分數對復合材料的力學性能影響很大,隨著CF(布)體積分數增加,復合材料的力學性能提高。當CF(布)體積分數超過50%時,力學性能開始下降;經CF 表面處理的CF/PPS復合材料的抗拉伸性能和抗沖擊性能都得到了顯著的提高,且經過丙酮浸泡處理的CF(布)比經過高溫處理的CF(布)增強效 果要好。

                 1.5 CF增強PPESK

          PPESK是一種新型的耐高溫聚合物,具有較高的力學性能和良好的耐熱性、絕緣性以及耐化學腐蝕性,而且熔解性能好,可用作高性能復合材料的基體。彭靜等[11]將C F等離子接枝處理后與PPESK及固體潤滑劑溶液共混干燥后,采用熱壓成型工藝制作CF/PPESK/固體潤滑劑復合材料,考察CF質量分數對復合材料耐磨性能的影響。研究發現少量C F(質量分數5%) 的加入就可以顯著提高復合材料的耐磨性能,可降低摩擦系數和提高自潤滑效果;當CF質量分數超過5%以后,復合材料的比磨損率變化不大。超過10%后比摩損率稍有增加,但摩擦系數有所減小。

          1.6 CF增強PEEK

          P E E K是新一代耐高溫熱塑性樹脂,其CFRTP已經用于機身、衛星部件和其他空間結構,PEEK的CFRTP可在250 ℃條件下連續使用[3]。針對PEEK熔融粘度大,難于浸漬的特點,隋月梅[12]設計了PEEK/DPS(二苯砜)混合體系凍膠浸漬工藝,在PEEK中加入一定比例的DPS形成固體混合物,再將PEEK/DPS混合物以熔融浸漬的方法浸漬CF,完全浸漬后,去除多余的溶劑,形成CF/PEEK預浸料??疾炝死w維張力對熔融浸漬效果及復合材料力學性能的影響,研究發現一定的纖維張力有利于纖維的分散,張力過大時,纖維易集束,不利于浸漬;纖維張力的大小對其復合材料的抗拉伸強度和抗拉伸模量有較大的影響。

          1.7 CF增強PI

          PI具有突出的熱穩定性,良好的抗沖擊、抗輻射和耐溶劑性能,在高溫、高低壓和高速等極端環境下具有優異的耐摩擦磨損性能,用CF增強后,可進一步提高性能,擴大應用范圍。李健[13]將CF表面處理后,采用熱壓成型工藝制備CF/ PI復合材料??疾炝薈F質量分數及RES表面改性(稀土溶液處理CF)、空氣氧化改性處理對CFRPI力學性能的影響。研究發現,RES表面改性方法優于空氣氧化處理方法。當稀土溶液中稀土質量分數為0.3%時,所制得的CFRPI具有最優的力學性能。隨著CF體積分數的增加,CFRPI的摩擦學性能得到提高。當CF體積分數為20%時,CFRPI的摩擦系數和磨損量最小。

          2 結論

          ⑴ 與CFRP相比,選擇合適的熱塑性樹脂基體,可以使CFRTP有更好的耐腐蝕、耐溫等性能。CFRTP成型周期短,制品可回收循環利用,但須解決熱塑性樹脂浸漬問題。

          ⑵ 對于CF短纖維,可以采取雙螺桿擠出的方法制備CFRTP預浸料,而后注塑成型,也可直接將CF與樹脂混合后熱壓成型;對于連續CF,可以采用熔融浸漬或溶液浸漬的方法制備預浸料,而后熱壓成型。

          ⑶ 采用不同的CF表面處理方法,均可以提高CF與基體的粘結力,從而提高CFRTP的力學性能,合適的處理方法可使樹脂的抗拉伸強度提高40%。

          ⑷ CFRTP的性能隨CF體積或質量分數的提高而提高,力學、耐溫、耐磨等性能均有所提高。當CF體積分數為10%~20%時,CFRTP的各項性能最好,熱變形溫度最高可提高將近50 ℃,常溫下的摩擦系數可降低50%左右。但當CF體積分數增大到一定值時,由于樹脂基體體積分數的減少,CF與樹脂基體的粘結性能降低,從而導致CFRTP各項性能的降低;CF的長度對CFRTP的性能也有所影響。長度稍長的CF增強效果更佳(最長可至10 mm),采用合適的工藝參數則不會影響CF在CFRTP中的分散效果。




           
           
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