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1、?年机械工程学会年会论文集碳纤维增强聚酞胺!叼#%复合材料的研究进展李能文黄虹李道喜!重庆理工大学材料科学与工程学院,重庆&?%摘要(碳纤维因其轻质和优异的机械性能,是理想的复合材料增强体。本文综述了国内外碳纤维增强尼龙复合材料 的研究现状,并针对近年来该材料的研究热点,对其界面性能、力学性能及摩擦性能进行重点阐述。关键词(尼龙)碳纤维)界面性能)增强增韧+,./0 12.3 010 3/4567589而+0:/3;5.6 2;0 3/5:八飞月?一己”石 如朋?月协.?口 2!/58 8 0?05 6 8 0血 /2 浅.?,#丙口.?2.?.2,03 1勿5 6=0/4.口崛另切.?2.?
2、&次万?#4动%;1=3/=(#3;5.6 2;0 3 10 5;2.0850 2?4=.+0 007=25.80/4.208 73 5 03=801,2.?=402+0 83 02.6 53/0 0.=16 537589 03 0 575 12=0=03 281=403 0/0.=+,./0563 010 3/42.=40/3;5.6 2;033 02.6 53/0+589 而+00575 12=01 13 0,200+2.=4217 03:./053+.002=4=4045=175=156=403 010 3 04,=402.=03 2触0 0;04,253、0/4.21.+6 3 20=
3、25.73 5 03=20 156=421=9 70=03 2 803 00 75 .+0+09 53+1(7 89 而+0(/8七5.6 2;03)2.=0 3 2 泊/0;04,25 3(3 02.6 53/0 0.=.+=5?40.2.?引言随着科学技术的不断进步,高新材料已经成为全球战略发展的重点。早在?世界&?年代美国已经开始使用玻璃纤维增强不饱和聚酷材料代替金属材料,以手糊成型工艺制备军用雷达罩和飞机油箱。相对于玻璃纤 维增强复合材料!7%,碳纤维增强复合材料有如下优点(比强度、比模量更高)导热性能、耐高低温性能好)线膨胀系数沿纤维轴向具有负的温度效应!即随着温度的升高,有收缩的趋
4、势%,可制成零膨胀复合材料,尺寸稳定性好)具有导 电性、阻尼性和自润滑性能等。自?年代聚丙烯晴基!7%碳纤维实现工业化以来,一系列高比模量和高比强度的碳纤维增强复合材料!#7%相继被开发并被用于航空航天等尖端技术领域。随着化石能源的日渐减少和人们对生态环境的日益重视,节能减排已成为全世界共同努力的目标。“轻量化”是目前交通运输装备制造业节能减排的重要手段之一,也是目前交通运输装备制造业的重要发展方向与研究课题。自 年,日本大古杉郎开发出沥青基碳纤维,并用于产业化生产,碳纤维开始军用向民用的过渡,并逐渐应用于汽车等一般工业以代替金属材料,从而实现其产品的轻量化。当前常用碳纤维增强树脂基复合材料仍
5、以热固性树脂8 8 为主,特别是片状模塑料!#%相当广泛地用于汽车零部件的制造,尤其是在美国和德国。由于热固性树脂基复合材料存在着断裂韧性较低、抗损伤能力较差、预浸料使用周期短、制品加工周期长以及废料回收困难等缺点,迫使人们对现有的热固性复合材料进行增韧改性,与此同时,人们也在寻找新的韧性材料作为基体树月旨。?国内外研究现状近二十年来,由于汽车工业的快速发展和复合材料在汽车材料应用领域的迅速扩大,热 固性复合材料的有害气体挥发和废弃物回收问题显?年机械工程学会年会论文集得尤为突出?。随着人类环境保护意识的白益增强,在“?年世界碳纤维前景,!0 85;8、5=8555 6#3;5.2;035 5
6、%会议上,弗柏福奇公 司复合材料工程师迈克尔,斯金纳指出,从未来发展趋势看,汽车设计者将更偏爱有利于回收和环保的热塑性复合材料。?年世界碳纤维前景会上更将“汽车上应用的前景”作为&大专题之一 。聚酞胺!7 589 而+0,简称7%俗称尼龙,以其机械强度高、软化点高、自润滑性、加工流动性好等性能,尤其是摩擦系数低、耐磨损,广泛应用于汽车家用电器及运动器材等零部件的制造,近?年其需求量一直居于 五大工程塑料之首。但由于酞胺基的存在易与水分子之间形成氢键,导致其吸水率高、尺寸稳定性差等缺点,早在?年代人们就开始用纤维进行改性,以满足现代工业对尼龙诸如强度、耐高温、耐候等方面性能提出更高的要求。由于各
7、文献的研究目的不同,针对尼龙的优缺点及目前碳纤维复合材料的研究热点,本文从以下几个方面对国内外研究现状加以介绍。?界面性能研究复合材料的性能不仅取决于材料的组成,而且取决于组成材料之间的界面粘结状态及界面应力的传递方式,界面结合的强度会直接影响复合材料的力学性能&。虽然碳纤维作为增强纤维具有高强度、高模量、低密度等优点,但由于碳纤维表面碳碳之间以非极性的共价键相连接,碳纤维晶界面呈平行的石墨微晶的乱层结构,导致碳纤维比表面积很小、表面化学惰性和憎液性,结果使碳纤维与基体树脂的结合力不够,因此在复合材料方面的应用受到一定程度的限制。目前对于界面优化的研究多集中于碳纤维表面处理方法及优化成型工艺两
8、方面。常用的表面处理方法多是通过在碳纤维表面发生一系列物理或者化学反应,来达到增加表面形态复杂化和极性基团的含量的目的,从而增强界面的结合强度,具体可分为氧化处理、涂覆处理和射线、激光、等离子体处理等多类。就其研究方法而言,国内多采用力学分析法,对材料界面微观结构的宏观响应进行研究)而国外则多采用仪器分析法,来表征复合材料界面的微观结构,如(纤维表面状态、界面层厚度和模量、界面结构与反应、界面应力场分布及其他性能等。1 7 3 和 苟2和5.=0 1一5 3如等用,射线对碳纤维进行表面处理,处理后的复合材料均得到改善,并对其层间剪切强度!几%、表面基团及微观形貌进行研究。08+25 25,0+
9、2 等用电子束!%处理碳纤维后,样品的拉伸强度有微弱的提高,但其失效方式发生改变。国内,王军祥 8?等采用空气氧化法对碳纤维进行表面处理并注塑成型制备了碳纤维增强尼龙?复合材料。中石化 】采用液相氧化加阳极氧化处理方法,使碳纤维表面的缺陷得到修复,机械强度更高。李宝峰?等通过 自由基反应在 碳纤维表 面嫁接 马来酸使其层间剪切 强度!:%从 增加到?,并通过红外光谱证实碳纤维与树脂基之间形成了化学键。林志勇 】等通过碳纤维表面酞氯化制备了表面接枝尼龙的复合材料,接枝率达?以上,层间剪切强度提高了&。哈尔滨工业大学张福华 8&也用不同的酸体系对碳纤维进行酞氯功能化处理,不同之处在于他将多壁碳纳米
10、管运用化学修饰方法以化学键连接的形式引入到碳纤维表面,制得碳纳米管碳纤维多尺度增强体,并通过分子模拟技术和实验对复合材料的界面性能进行了研究。除此,不少学者还应用酸、氨气、超临界二氧化碳、超临界水及稀土等对碳纤维进行表面处理并取得可喜成效。优化复合材料成型工艺主要包括控制温度、压力、加工气氛等成型参数和优化设计工艺路线以达到改善复合材料性能的目的。目前对于温度、压力的控制技术及工艺路线己经基本成熟,?3 5年机械工程学会年会论文集特别是短纤维增强复合材料,研究重点主要集中在改善连续纤维增强复合材料浸渍工艺技术及预浸料的制备。常用的热塑性复合材料的浸渍方式大致可分为后浸渍!混合法%和预浸渍两大类
11、,目前工厂多使用后者,该工艺方法包括溶液浸渍法、反应链增长浸渍技术和熔融浸渍工艺。近几年超声连续改性处理技术 8 因其具有对增强体碳纤维进行表面改性和改善浸渍工艺的双重作用使其应用得到重视。秦伟等在树脂传递模塑!%成型过程 中采用超声连续改性技术制得的复合材料界面脱粘?时,其力学性能仍比未处理的试样高。?力学性能研究尼龙主要的增强方法为添加纤维和填料,其中又以玻璃纤维和#使用最广。因为填料的粒子形状、大小、粒径、纯度和表面处理剂的选用等都会对复合材料的性能有较大的影响,因而多用纤维对其进行增强改性=8 ,但玻璃纤维增强尼龙制品表面存在玻纤毛刺,制品 的表面光洁度无法满足高品质要求,同时还有易翘
12、曲、收缩等缺点,近年碳纤维因优异的性能和价格的降低才逐渐应用其中。目前尼龙增韧体系主要包括(7聚烯烃弹性体、孙屏手机刚性粒子、叼无机刚性粒子等,其中第一种体系对7 冲击性能提高幅度最大,应用也最为广泛,然而对于强度的影响也最大 8。弹性体增韧机理很多,目前较为认同的主要是银纹一剪切带理论。由于尼龙和聚烯烃弹性体之间的极性差异,两者共混时相容性不佳,易出现相分离现象,近年对于改善相容性方面研究颇多。由当前流行的增强增韧理论 8】,均提出界面层是关键,因而对于#:复合材料的研究多是在界面相容性的理论上,讨论碳纤维的均匀化、含量、长径比、表面处理等对复合材料力学性能的影响。彭树文 8】对尼龙 碳纤维
13、!78#共混体系进行研究,表明#含量达到?时,拉伸强度提高近倍。西北工业大学郭领军等对短碳纤维复合材料中的纤维的几种均匀化技术及其工艺特点进行了总结,并提出了评价纤维均匀性效果的几个表征方法。青岛大学孙伟?等采用长径比为?(的1_一 型双螺杆挤出机制备1#7%自发取向的特征或者振动注塑等,通过改善材料的流动性能和纤维的分布均匀性等以达到 自增强增韧的作用。如5.?,等用作?一 对队八工#7共混体系进行增容改性,发现随着#7含量的增加材料的拉伸强度和拉伸模量同时大幅增加。1 5.?1 5护?等也对7 几工#7共混体系进行了研究并发现在7 的砧度低于#7时,#在剪切作用下会形成微纤。而中科院何嘉松
14、?】等将这一发现运用于碳纤维增强复合材料中,使剪切作用下形成的#7微纤与#混杂增强热塑性基体材料,并对复合材料的加工流变学和力学特性进行了研究。?其他研究参照材料科学技术百科全书中关于复合材料的定义,复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工 艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色,又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。尼龙和碳纤维都是工程塑料领域性能优异的材料,通过组分分布的设计和工艺条件的保证,其复合材料能综合体现二者的优越性,随着高附加值改性产品的不断涌现,#7复合材料的应用领域也 日趋扩大。在摩擦应用领域,尼龙本身具有优良的摩擦性能常用来作为齿轮、滑
15、轮等制品,而添加碳纤后不仅强度得到提高,其摩擦性能也进一步得到了优化,使得其在此领域的应用进一步得到扩展,近年不少学者从事此方面的研究。02.200【?&等研究了短切玻璃纤维、碳纤维增强尼龙&的机械性能和微动磨损性能。110.=4 28,08.+.553=4 9=?瑞吐 备了未增强、玻璃纤维、碳纤维增强尼龙注塑成型齿轮,并在一种能量耗散式齿轮测验装置中对齿磨损、齿表面开裂、齿根开裂和严重齿变形等多种失效形式进行了测试,失效的齿轮通过光学和扫描电镜观测其失效机理。丫/40.?等考察了尼龙 作为齿轮在滚动一滑动!3 58 8 2.矛1 8 2+2.?%摩 擦形式下的摩擦行为,并研究了分别用?聚 四
16、氟乙烯!7%和?碳纤维填充7 的摩擦学性能,两种填料?年机械工程学会年会论文集都减小材料的摩擦系数,而7刀王的效果优于碳纤维,但作用机理完全不同,而采用碳纤维增强后的材料其它性能得到了极大的改善。任紫菊,宁荣昌【?研究了短碳纤维增强/尼龙!单体浇铸尼龙%的摩擦学性能,当纤维体积分数为?时,弯曲强度和模量分别提高了&和,磨耗降低了&。葛世荣?对碳纤维增强尼龙3 58 5复合材料的摩擦磨损性能做了研究,并分析得出(摩擦系数和磨损率与拉伸强度存在反比关系,与尼龙材料硬度有二次方程关系,与碳纤维填充量之间具有负指数变化规律。不少学者将减磨剂添加到碳纤维 增强尼龙 复合材料中以求达到更好的效果,并取得成
17、效。尼龙由于含有强亲水的轻基基团,因而吸湿性大,制品尺寸稳定性差,经过碳纤维改性后,这些缺点能得到大大改善。张玲玲?】等模拟研究了海洋环境!盐水浸渍、盐溶液干湿循环、冻融循环单独或祸合作用%下碳纤维增强复合材料片材的耐久性,并提出在海洋工程应用中,必须考虑#7片材的耐久性,尤其应对其抗拉强度进行折减。巴斯夫公司?、川生产应用于汽车发动机喷油嘴上碳纤维增强尼龙因其具有高刚性、抗温变性、抗化学性和吸水性低等特点,己应用于汽车发动机喷油嘴上,并可以重新回收利用,利用率达到?。?赵稼样?年世界碳纤维前景会闭高科技纤维与应用,?!%,!%(一7 0=0 3 43 5 03#40而1=3 9.+74912
18、0156/3;5.!%0 53 几 人二溉8+0 巴38.0?(一?一 2.7 3,扣.?5幻5.3+5 5.丁?,3 2570 5?5 335,#=#40而083.5+26 20=25.560 3;5.6 2;031 3 2触0 0 1#3;5.,?!%?,&?(一&20=8 2?4/.0雌沙3+8=25.=0/4.20=3 0=5.=4013 2触/0560 3;5.6 2;03材+=03 2 8 1#40 2 1=3 9.+74912/1 月,?,&(巧?5.=01一5 3自8,.=,7 .0 1,0=1=+956=4 00月七0=5678 1=3 0=0.=5.=402.=0 3 2油
19、/2 873 5 03=20 156/3;5.6 2;3 0=40.578 1=200 5 02 2,35/3+5 /4+5,0=,8=25.56=403.0/4.20 873 5703=201560 3;5.6 2;0 36=0 3080 0=3 5.;0 接枝方法及复合材料的力学性能 应用化学,?!抖,?!%(?一 张福华碳纳米管8碳纤维多尺度增强体及其 复合材料界面研究 8哈尔滨(哈尔滨工业大学,?!%邱求元,等碳纤 维增强树脂基复合材料界面优化研究进展:材料导报,?!%!?%(&礴福本修旧%聚酞胺树脂手册北京冲国石化出版社,&(?王万杰,赵清香,王玉东,等国内外尼龙增韧研,二,勺二,二
20、3 3结语尼龙作为一种重要的工程塑料,人们不断通过物理和化学改性的方法使其高性能化、多功能化,碳纤维的出现更使其在激烈的市场竞争中处于领先地位。碳纤维增强尼龙复合材料以其优异的性能,广泛地应用于汽车工业、电子电器、体育设施、家用电器等领域。随着人们对这一先进材料的深层研究和开发,碳纤维增强尼龙复合材料的应用将 可能扩展到人类生产生活的各个领域。,&咤口,几 3 3 飞月向:门已二二3 3 参考文献 0.而.,王强华!译%碳纤维增强塑料在汽车上的应用 玻璃钢,?以科!%(一 张晓明,刘亚雄纤维增 强热塑性复合材料及其应用【北京(化学工业出版社,?!%?年机械工程学会年会论文集?0/4.21 12
21、.:.0/=25.5】+0+_.3 02.6 53/0+,8 11.+#比5.02.6 53/0+985.730 3 1:月即左心肠仰口石考再人=03 2 8 1,?!抖,(一丫#40.,3 0,5 50,53 2触0 0 575?3 49.+节8 0 30/4.21 12.75 8 9而+0.+2=1#5 512=0 5砌 5 6+=03 2 8 1/2 0./0,?!%,(?一?任紫菊,宁荣昌碳纤维增强#尼龙的研究:复合材料学报,?仪刃,!?%(一 葛世荣,等碳纤维增强尼龙?的力学性能及其对摩擦磨损的影响 复合材料学报,?%&,?!?%(一?&张玲玲,张 陵,马建勋海洋环境下碳纤维增强复合
22、材料片材 的耐久性田建筑材料学报,?,!%(?一、乞?03#40而083 0121=.0056+,.00+=40.刀578 1=20/5 512=012.=5 5=2,0决。:.=0,=2 5.8#;.?3巴.+甲5 1介勿月,?(?一?#277,58 27,58#985.?0 316 53 0.?2.0=2而.?+3 2,0 1.+0 0.0.=8=01=1月?沪:.=0枷雌 9 口1 2 口.“留口川口扮,0/04.口85?9.+=5州姆了切.,(?,了=,气?工?究进展!#?程塑料应用,%&(%,)&(+,)一,!./#王文广?塑料配方设计!0#?北京+化学工业出版社,%&(1+,!.2
23、#彭树文?碳纤维增强尼龙 的研究闭?工程塑料应用,22/,%&2(+,一3!%孙伟,等?双螺杆反应挤出制备碳纤维增强尼龙复合材料的研究!#?科学技术与工程,%仪旧,2&)(+%一%)!%#,4 5678,9%0:78?06;?70:=?7:?.4=?:;646?.:6.?而:一 4;?.7:6.:;466 :!#?.:;,22 3,)/&/(+1 2一,!%9 6786:6,:6 78:6.抢,?7878幻?;:;:.6:7;78.665:?;.:7 6 6】?而:&(,5=:7 刀6;:4;?.7:6.:;!.&:;而:(#?7 7 67?.:6.;6.:7:!#?6.(喇:;,222,1&(+1 1/)训阵2%!%)#何嘉松,张洪志?王育立?原位混杂增强热塑性复合材料#?材料研究学报,%加,1&.(!%1#:7:,6?7 7,;:;=?46 7?6 76:=?7:?.;6?而:?1【#?丁八石6 68:?7=:朋8:=7,%以(,13&,(+,一,3!%,?:7=.:.?7?7?47?7?6;=?;7?8:!%2#!)#!)#3)