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1、3 8 碳 纤维 聚碳 酸酯复合材料研究 2 0 l 0年 3月 碳纤维 聚碳酸酯复合材料研究 艾娇艳，何元锦，肖舜通 一(广东工业大学材料与能源学院，广州 5 1 0 6 4 0)摘 要：本 文制备 了碳 纤维增强聚碳酸酯(P C)复合材料并研 究了其性 能，相比玻璃纤维增 强 P C，碳纤 维增强 P C在机械性 能、电性能和加工性等方面有明显的提高。随着碳纤维含量的增加，拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量明显呈上升趋势。而伸长 率和冲击强度在碳纤维含量为6 时达最大值，分别为 1 0 4 k J m 2和 8 7 k J i m 2。加工流动性有了明显的提高，且随碳 纤维 含量的增加而逐渐降低
2、。碳纤维的加入，也改善 了P C的导电性，当碳纤维含量为 1 0 时，导电电阻率已达到9 01 0 f Vs q。关键词：碳 纤维；聚碳 酸酯；复合 材料；增强 中图分 类号：T Q 3 2 2 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 3 0 9 9 9(2 0 1 0)0 2 0 0 3 8 0 4 P C是一种综合性能优越的工程塑料，也是近年 来增长速度最快 的通用工程塑料，具有优异的冲击 韧性、尺寸稳定性、电气绝缘性、耐蠕变性、耐候性、透明性和无毒性等优点，目前广泛应用 于汽车、电子 电气、建筑、办公设备、包装、运动器材、医疗保健等 领域，随着改性研究 的不断深入，正迅速拓展到航空 航
3、天、计算机、光盘等高科技领域 J。但它也存在 一些缺点，如加工流动性差、易于应力开裂、对 缺 口 比较敏感 以及耐磨性欠佳等。碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐 疲劳、抗蠕变、导电、传热等特性，属典型的高新技术 产品 ，主要用于制备先 进复合材料(A C M)，已广 泛应用于宇航、体育用 品领域、工业领域、交通 运输 领域及土木建筑领域。鉴于近年军事工业上应用的 萎缩，碳纤维成本 的降低及先进低成本制造复合材 料技术的突破，碳纤维复合材料在建筑、工业、交通 运输、体育用品等方面 的应用便成为研究开发的热 点，并取得 了一定的突破性进展 J。碳纤维增强聚碳酸酯作为一种具有前沿技术特 点
4、的新型产品在上世纪末期逐渐应用于国民经济各 行业，相 比较传统 的玻璃纤维增强 聚碳酸酯拥 有强 度高、导电率高等显著优点，对于该产品的开发研究 具有重要 的市场价值u 卜 。1 实验部分 1 1 原材料 实验所用原材料 为经过表 面改性 的短切碳纤 维，3 5 mm；短切玻璃纤维 4 7 3，欧文斯科宁；P C，牌 号为 2 0 1 1 0，陶氏。1 2样 品准 备 利用南京瑞华机械 电子有 限公司 T S E-3 0型双 螺杆挤 出机，将在 1 2 0 下烘干 4 h以上的 P C分别 与短切碳纤维和短切玻璃纤维制得不同含量的碳纤 维增强 聚碳 酸酯(2 一2 0)和玻璃纤 维含量 为 1
5、 0 的增 强 聚碳 酸 酯，挤 出机 各 段 温度 分 别 为 2 7 5、2 7 0 、2 6 5 、2 6 5 和 2 6 0 。样 品的制 备 采用的注塑机是海天 H T F 8 6 T J，各段温度分别 为 9 O o C、2 7 0 和 2 6 5 o C。1 3力学性能测试 拉伸样品为标准 的哑铃形状，尺寸为 41 0 1 1 0 m m，实长为 1 7 0 ra m，使用 电子万能 拉力试验机 S A N S X S A 2 0 4 B(深圳新三思)按照标准 G B T 1 0 4 0 9 2，1 0 mm m i n进行拉伸测试。用 于弯曲样 品的尺 寸为 41 08 0 m
6、m，用 电子万能试 验机 G MT G 1 0 3 (深圳新三思)在 G B T 9 3 4 1-2 0 0 0，2 m m m i n的标 准 下测得。冲击是用 Mo d e l 8 9 2电子缺 口冲击仪 T i n i U S O l s e n测试 的，尺寸为 41 8 0 mm，缺 口边长 r=2 5mm。1 4电性 能 测试 表面 电阻率用 H i g h R e s i s t a n c e Me t e r 4 3 3 9 B在 5 0 0 V 的 电压 下 测 得，样 品 尺 寸 为 3 01 0 0 1 0 0mm。1 5 加工性 材料的流动 性 由 R L 1 1 B熔
7、体 流 动速 率仪 在 3 0 0 和 1 2 k g的条 件下得 到，测 试前材 料先要 在 1 2 0 c I=的温度下干燥 2 h以上。收稿 日期：2 0 0 8 1 1 一 l 4 作者简介：艾娇艳，副教授，主要从事高分子材料的合成和改性工作。辫 融磐 2 0 1 0年 第 2期 玻 璃 钢 复 合 材 料 3 9 2 结果与讨论 2 1 碳纤维对力学性能的影响 由图 1可 以看 出，随着 碳纤维 的增 加，拉 伸强 度、弯曲强度和弯 曲模量都有明显的增加。相对纯 P C(拉伸 强度 约 6 3 MP a，弯 曲模 量约 2 3 0 0 MP a)而 言，当加入 2 的碳纤维 时拉伸强
8、度 和弯曲模量分 别增加 了 1 2 和 6 0。因为在纤 维增 强热塑性塑 料复合体系中，是利用纤维 的高强度来承受复合材 料的主要应力，利用基体树脂 的塑性流动和 同纤维 界面的粘结性来传递应力。所 以随着碳纤维含量的 增加，P C的任一截面上有更多数量 的碳纤维承载，这些碳纤维的抽 出或断裂，需要施加更大的载荷，因 而提高了碳纤维增强 P C的弯曲性能和拉伸强度。同时，由于碳纤维含量的增加，即碳纤维与碳纤维间 的树脂层变薄，作用 于碳纤维增强 P C的应力很容 易通过树脂层而在碳纤维中传递，树脂 的形 变也受 到碳纤维的约束，因而弯曲弹性模量也 随着碳纤维 含量的增加而提高。图2 碳纤维
9、含量对 P c的缺口冲击强度 及伸长率的影响 图 2明显地表明了缺 口冲击强度随碳纤维的增 加先增加后减小，当碳纤 维的含量为 6 时冲击 强 度达到最大，当含量大于 6 时迅速减小，到 8 时 减小的速度减慢。从图 2中可以看出，即使只添加 2 的碳纤维，相对于 P C树脂，断裂伸长率 已经发 生 明显 的下降(P c树脂的断裂伸长率高达 1 0 0)。我们知道，复合 材料吸收冲击 能的方式有树脂 变形和裂纹扩展至断裂、纤维抽 出、纤 维断裂 3种。由于 P C在冲击载荷作用下变形能力的差异，P C基 体较大的变形导致沿纤维弯曲方向产生间隙，因此 方面将使纤维抽 出时吸收的能量较小，另一方面
10、 则降低 了纤维断裂 的可 能性，即相当于增加 了纤维 的临界断裂 长度。当碳纤 维含量小于 6 时，可 以 认为树脂变形在复合材料缺 口冲击强度中的贡献 占 主导地位；而当碳纤维质量分数高于 6 时，树脂含 量减少，导致纤维从树脂 中抽 出更加容易。另外，碳 纤维 的端部是裂纹增长 的引发点，当碳纤维含量达 到一定程度后，继续增加会降低材料冲击强度和伸 长率。2 2 电性能 纯 的 P C是一种不导电的聚合物，由图 3可知，当加入 的碳纤维含量为 1 0 时，表面 电阻率已达 到 9 0 x 1 0 s q，可作 为防静 电材料使用，当加入 8 时就已经明显改善了复合材料的导电性能。当碳纤维
11、含 量小于 8 时，复合材料呈 现出较 高的电阻率，这是因为 P C树脂的电阻率很高，少量 的短碳纤维被 P C树脂所分 隔，纤维之 间仅存 在着 不连续导通的势垒，载流子只能借遂道效应，从一导 体跳到另一导体进行传导，因此复合材料表现出较 高的电阻率；当碳纤含量超过 8 时，碳纤维在复合 材料 中逐步形成相互接触的导 电网络，并趋于完善，这时电荷载流子传导有两条路径：其一，载流子通过 碳纤维和高聚物夹层之间的隧道效应转移；其二，通 过纤维相互直接接触所形成 的网络转移。所 以复合 材料的电性能大为改善，呈现出低的电阻率。图3 碳纤维含量对 P C的表面电阻率的影响 赣 囊 踟 加如 m 苣
12、睡组 壬 髓誓 碳纤维 聚碳 酸酯复合材料研 究 2 0 1 0年 3月 碳纤维含量 图 4 碳纤维含量 对 P C的熔 融指 数影 响 2 4 玻纤增强和碳纤增强 P C性能对 比 2 3加 工性 纯的 P C由于粘度大，流动性差，导致 了加工的 困难，加入 了碳纤维后可以明显改善 P C的粘度，流 动性也就随着变好。从图 4中可 以看 出，只加入了 2 碳纤维的 P C流动性 比纯 P C(熔融指数约 1 7 mi n)提高了近一倍，这是 由于加入 的碳纤维改善了 P C与金属间的粘合性，但随着碳纤维 含量 的增加，熔体 中的分子 间以及分 子与碳纤维、碳纤维与碳纤 维间的磨擦逐渐增大，所
13、以流动性也随之逐渐下降。表 1 含 1 0 的玻璃纤维的P c和 1 0 碳纤维的P c物理性能对比 从表 1中可 以看 出，除了伸长率和冲击强度差 不多之外，碳纤 维增 强 P C的其 它的性 能都明显超 过 了玻璃纤维增强的 P C。3 结论(1)用碳纤维增强的 P C在碳纤维含量为6 时 伸长率和冲击强度均达到最大值，含量继续增加时，由于碳纤维力学的各 向异性导致伸长率和冲击强度 都迅速下降。而拉伸强度，弯曲强度，弯 曲模量得益 于碳纤维的高强度、高模量，随着碳纤维的增加明显 增加，与相 同含量 的玻璃纤维增强 P C相 比，碳纤维 更加有效；(2)碳纤维的加入减小了 P C熔体 的粘性
14、，使之 流动性有了明显 的改善，但随着碳纤 维含量 的继续 增加，熔体间的磨擦增大，流动性逐渐减小；(3)碳纤维属于导电材 料，当加入 1 0 的碳纤 维时该复合材料 已经可以作为防静电材料使用。参考文献 1 汪水平，翁睿 不饱和聚酯树脂 炭黑 碳纤维复合材料的导电 性能研究 J 玻璃钢 复合材料，2 0 0 5，(2)：1 3 1 6 2 郑水蓉，胡晖 环氧改性聚碳酸酯单 向纤维复合材 料研究 J 玻璃钢 复合材料，1 9 9 6，(3)：2 1 3 郑水蓉，侯亚涛 短切玻璃毡增强聚碳酸酯基复合材料研究 J 玻璃 钢 复合材料，1 9 9 6，(1)：3 2-3 5 4陈红燕，王继辉 纳米碳
15、 纤维及其 在聚合 物中的应用 J 玻璃 钢 复合材料，2 0 0 5，(3)：1 4 1 6 5 张晓虎，孟宇 碳 纤维增 强复合材料技 术发展现状及 趋势 J 潮警 嘲 纤维复合材料，2 0 0 4，(1)：1 5 1 6 6 曹文鑫 聚碳 酸 醋的 生产 与应 用现 状 J 上 海 化工，2 0 0 1，(1 5)：2 3-2 6 7 赵光辉，任敦 径，李 建 忠 聚碳 酸酯 的生 产、应 用及 市场 前景 J 化工科技市场，2 0 0 5，(5)：1-6 8 WAT A N A B E F；K O N O S；K A N E O I，e t a 1 C o mp o u n d p o
16、 l y c a r b o n a t e(P C)s t e e l m a t e r i a l s u s e d a s s t r u c t u r a l u n i t s，h a s s h e e t o f c arb o n fi b e r t h a t i s a r r a n g e d a s d e f o r m a t i o n r e s t r i c t e d ma t e ria l，s o t h at o u t e r p e ri p h e r y of o t h e r s t e e l m a t e r i a l
17、s m a y b e s u r r o u n d e d P J P：2 0 0 7 3 21 5 0 3 A 9 张晓虎，孟 宇 碳纤维增强复合材料 技术发展现状 及趋势 J 纤维复合材料，2 0 04，(1)：l 3 1 5 1 O 赵稼祥 世界碳纤维的需求 J 高科技 纤维与应用，2 0 0 5，3 0 (2)：7-l 0 1 1 J a w a l i，N D；S i d d a r a ma i a h；S i d d e s h w a r a p p a，B，e t a 1 P o l y c a r b o n a t e!s h o a g l a s s fi b e
18、 r r e i n f o r c e d c o mp o s i t e s-P h y s i c o me c h a n i c al，mo r p h o l o g i c a l and F E M ana l y s i s J J o u r n a l O f Re i n f o r c e d P l a s ti c s A n d C o m p o s i t e s，2 0 0 8，(2 7)：3 1 3-3 1 9 1 2 S o n g，J H；L im，J K F a t i g u e c r a c k g r o w t h b e h a v
19、i o r and f i b e r o fi e n t a-t i o n o f gla s s fi b e r r e i nfo rce d p o l y c a r b o n a t e p o l y me r c o mp o s i t e s J Me t als An d Ma t e r i a l s I n t e r n a t i o n al，2 0 0 7，(1 3)：3 7 1-3 7 7 1 3 S a q a n，S；Z i h l i f，A M；A I A n i，R S，e t a1A s t u d y o n t h e DC e l
20、 e c t r i c al p r o p e r t i e s o f P AN-b ase d c a r b o n fib e r p o l y c a r bo n ate c o mp o s-i t e s J J o u mal O f Ma t e r i a l s S c i e n c e Ma t e r i als I n E l e c t r o n i c s，2 0 0 7，(1 8)：1 2 0 3 1 2 0 9 1 4 Yo u n g K u k C h o i；S u g i mo t o，K ；S u n g Mo o S o n g，e
21、 t a 1 P r o d u c t i o n an d c h a r a c t e ri z a t i o n o f p o l y e arb o n a t e c o mp o s i t e s h e e t s r e i nfo r c e d w i t h v a p o r g r o w n c a r b o n fi b e r J C o m p o s i t e s P a r t A(A p p l i e d S c i-e n c e a n d Ma n u f a c t u ri n g)，2 0 0 6，3 7(1 1)：1 9 4
22、 4 1 9 5 1 (下转第 3 7页)2 0 1 0年 第 2期 玻 璃 钢 复 合 材 料 3 7 (3)：4 9-5 3 8 T a k a o I i j i ma，e t a 1 Mo d if i c a t i o n o f c y a n a t e e s t e r r e s i n b y s o l u b l e p o l y a r y l a t e s J P o l y m e r I n t e rna t i o n a l，2 0 0 3，(5 2)：7 7 3-7 8 2 9 T a k a o n j i m ，e t a 1 Mo d i
23、fi c a ti o n o f c y a n a t e e s t e r r esi n b y s o l u b l e p o l y i m-i d e s J J o u r a n a l o f A p p l i e d P o l y m e r S c i e n c e，2 O 0 3，(8 8)：1 1 1 1 0C Ma r i e t a，e t a 1 E f f e c t o f t h e c u r e t e m p e r a t u r e o n t h e mo r p h o l o g y o f a c y a n a t e e
24、 s t e r r e s i n mo d i e d w i t h a t h e r mo p l a s t i c：c h a r a c t e r-i z a t i o n b y a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p y J E u r o p e a n P o l y m e r J o u r n a l，2 0 0 0，(3 6)：1 4 4 5 1 4 5 4 1 1 K D i n a k a l a n，e t a 1 P r e p ara t i o n and C h a r a c t e r i z e t
25、 ala t i o n o f B i s ma-l e i mi d e Mo d i f i e d B i s p h e n o l D i c y ana t e E p o x y Ma t r i c e s J J o u r n a l o f A p p l i e d P o l y m e r S c i e n c e，2 0 0 3，(9 0)：1 5 9 6-1 6 0 3 M oDI FI CATI oN oF CYANATE ES TER RESI N BY NoVEL M oNo-FUNCTI oNAL GRoUP CYANATE ES TER Z HAN
26、G Z h o n g y u n，WANG J i a l i a n g，WANG F a n，Y AN G S h e n g J i a o (S c h o o l o f M a t e ri a l s S c i e n c e a n d E g i n e e r i n g，E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y，S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7，C h i n a)Ab s t r a c t：T h e n o v e l m o n
27、o f u n c t i o n a l c y a n a t e e s t e r(C N S L C Y)w a s p r e p a r e d a n d c h a r a c t e ri z e d b y I R a n d MS rr h e n t h e p r o p e r t i e s o f b i s p h e n o 1 A d i c y a n a t e(B AD CY)mo d i fi e d b y CN S L C Y w a s s t u d i e d I t w a s fou n d t h a t BADCY b l e
28、n d e d wi t h CNS LCY c a n i mp r o v e t h e t o u g hn e s s d i e l e c t r i c p r o pe r t i e s a n d wa t e r a bs o r pt i o n o f BADCY r e s i n b u t a f f e c t i t s t h e r ma l s t a b i l i t y s l i g h t l y Ke y wo r d s：c y a n a t e e s t e r r e s i n；t he r mo s e t t i n g
29、r e s i n；CNS LCY；t o u g h n e s s (上接第 1 6页)9 胡挺，吴立军，C AT I A二次开发技术基础 M 北京：电子工业出 版社，2 0 0 6 T ECl OUES oF W I ND T URBD E BLADE MoDEL G B AS ED oN SECoNDARY DEVELo I c NT oF CATI A Z H A N G F u-h a i，L I J u n-x i a n g，C H E N C h u n，L U O X i a o-j u n (S i n o m a t e c h Wi n d P o w e r B l
30、 a d e C o ，L t d ，B e i j i n g 1 0 2 1 0 1，C h i n a)Ab s t r a c t：F o r f a c i l i t a t e r e a d i n g t o b l a d e mo d e l p a r a me t e rs。b u i l d o f VB a n d E XC E L i n t e rfa c e f o r 3 D mo d e l o f wi n d t u r b i n e b l a d e I n o r d e r t o ma k e mo r e a c c u r a t e
31、 mo d e 1 t h e n c a l c u l a t e t h e t r a n s i t i o n a i r f o i l s a n d s p a t i al c o o r d i n a t e d a t a。l a s t O Ht l：u t CATI A s g e o me t r i c a l s e t b a s e o n s e c o n d a r y d e v e l o pme n t u s i n g VB Th e s o f t wa r e c an b u i l d t h e 3 D mo d e l o f
32、 b l a de f a s t，e f f i c i e n t l y，a c c u r a t e l y，i t i s n o t o n l y f o r a e r o d y n a mi c a n a l y s i s，fini t e e l e me n t a n a l y s i s a n d d y n a mi c s i mu l a t i o n，b u t a l s o pr o v i d e CNC ma c h i ni ng mo d e l for b l a d e s mo l d ma n u f a c t ur e r
33、 s Ke y wo r d s：CATI A；s e c o n da r y d e v e l o p me n t；wi n d t ur b i n e bl a d e；a i rfo i l；3 D mo d e l (上接第 4 O页)A STUDY ON THE PREPARATI ON AND THE PROPERTI ES OF CARBON FI ER R E I N F ORC E D P O L YC ARB ON AT E(P C)A I J i a o y a n，HE Y u a n-j i n，X I A O S h u n t o n g (F a c u
34、 l t y o f Ma t e ri a l a n d E n e r g y，G u a n g d o n g U n i v e rsi t y o f T e c h n o l o gy，G u a n g d o n g 5 1 0 6 4 0，C h i n a)Ab s t r a c t：T h e c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d p o l y c arb o n a t e(P C)w a s p r e p a r e d a n d i t s p r o p e rt i e s w e r e s t u d
35、 i e d i n t h i s p a p e r Th e me c ha ni c a l pr o p e r t i e s，e l e c t r i c al a n d wo r k a b i l i t y we r e i n c r e a s e d g r e a t l y c o mp a r i n g wi t h g l a s s fib e r r e i n f o r c e d T h e t e n s i l e s t r e n g t h，b e n d i n g s t r e n g t h a n d b e n d i n
36、 g mo d u l u s i n c r e a s e g r e a t l y w i t h t h e a d d i t i o n o f c a r b o n fi b e r B u t t h e e l o n g a t i o n s a n d i mp a c t s t r e n g t h r e a c h a ma x i mu m v alu e wi t h c o n t e n t o f 6 c a r b o n fi b e rWhe n a d de d c a r b o n fi b e r，t h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i o n o f P C w a s i mp r o v e d a n d t h e v alu e c o u l d r e a c h t o 9 0 31 0 f s Ke y wo r d s：c a r bo n fib e r；po l y c a r b o n a t e；r e i n f o r c e d；c o mpo s i t e _F 蕊_|_ 艟