碳纖維織物增強熱塑性復合材料的制備與研究.pdf

1、碳纖維織物（CFF）增強熱塑性復合材料具有可回收再生、成型時間短、沖擊韌性好等性能優(yōu)勢，是一種很有發(fā)展前景的材料。聚丙稀（PP）是一種價廉、韌性高、防腐性能和綜合性能優(yōu)良的通用塑料，可以大量用作汽車復合材料基體。聚苯硫醚（PPS）是具有優(yōu)異的耐高溫、耐溶劑性、化學穩(wěn)定性和高強高模的熱塑性特種工程塑料，可以用作航空熱塑性復合材料基體。本文通過薄膜疊層模壓法制備了碳纖維織物增強聚丙烯（CFF/PP）、碳纖維織物增強聚苯硫醚（CFF/PPS）

2、兩種復合材料層壓板，并采用掃描電子顯微鏡（SEM）、偏光顯微鏡（POM）、靜力學性能測試、動態(tài)力學分析（DMA）、差示掃描量熱儀（DSC）等測試手段對它們的結(jié)構(gòu)、性能及其主要影響因素進行了研究。
　　我們采用在PP基體中添加馬來酸酐接枝改性的聚丙烯（MAPP）的方法以改善 CF與 PP基體間的界面結(jié)合力，探索了不同MAPP/PP(M-PP-x)配比對CFF/PP復合材料層壓板力學性能的影響。當MAPP/PP配比為10％時，復合材料

3、的拉伸強度和沖擊強度較高；當MAPP/PP配比為15%時，復合材料的彎曲強度和層間剪切強度較高。
　　采用MAPP-PP共混物作為基體對CFF/PP進行界面改性，可以提高CFF/PP復合材料的力學性能，但實際上真正起到改性作用的只是界面層的MAPP，而基體內(nèi)部過量的MAPP卻會犧牲復合材料的強度和模量。我們受到熱固性樹脂基預浸料優(yōu)化制備方法的啟發(fā)，進一步改進了上述工藝。利用MAPP在高溫下可溶的特性，提出一種使樹脂分布均勻、力學性

4、能穩(wěn)定的熱塑性預浸料及復合材料制備方法：先用MAPP高溫溶液對CFF進行表面處理，溶劑揮發(fā)后得到預浸料，再進而與PP薄膜經(jīng)過疊層模壓法制備復合材料。采用該工藝方法制備的CFF/PP與前述工藝相比，拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度和層間剪切強度均顯著提高，尤其是拉伸強度提高了2倍左右。
　　本論文還考察了不同界面強度下，織物變形對復合材料力學性能的影響。構(gòu)筑不同的CF-PP界面結(jié)合強度，通過鋪層方式改變CFF在復合材料中的規(guī)整性，制備出

5、具有相似織物形變但不同界面結(jié)合力的復合材料。研究發(fā)現(xiàn)，界面結(jié)合力越強，織物形變對復合材料力學性能帶來的負面影響越大。
　　針對CFF/PPS航空復合材料，本文主要研究了PPS基體的非等溫結(jié)晶動力學和不同條件下CF誘導PPS的結(jié)晶行為。結(jié)果表明，降溫速率對PPS結(jié)晶結(jié)構(gòu)與形態(tài)的影響非常明顯。當降溫速率處于10K/min-70K/min之間，CFF/PPS的起始結(jié)晶溫度與結(jié)晶峰位均隨著冷卻速率的增加而向低溫方向移動，且CFF/PPS復

6、合材料中PPS晶粒尺寸變小、結(jié)晶度有所下降，復合材料層壓板的強度和韌性提高，彎曲強度提高了23.8%，表征韌性的沖擊強度提高了15.1%，但彎曲模量降低了2.1%。如果在CFF/PPS復合材料成型的降溫過程中加載壓力，CF表面與PPS分子鏈間的剪切力可以誘導CF附近的PPS基體生成橫晶；經(jīng)過表面涂層改性處理的CF同樣可以誘導橫晶，且橫晶結(jié)構(gòu)更加規(guī)整、完善；橫晶改變了復合體系中CF-PPS的界面結(jié)構(gòu)，增加了界面結(jié)合力，可以有效改善界面的應(yīng)