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陶瓷纤维模块/硅酸铝折叠块

如何获得高性能连续碳纤维增强PET复合材料?

发布时间:2022-08-27 14:59:29 来源:bobapp苹果版 作者:bob投注下载

  随着纤维增强复合材料的发展,热塑性复合材料因其具有高强、高模、质轻和可重复加工性等优点受到日益广泛的关注。目前商品化的短纤维增强热塑性复合材料在力学性能等方面仍存在不足,因此复合材料的应用范围受到一定的限制。而连续碳纤维(CCF)增强复合材料的出现,可以使复合材料的性能得到大幅提高,拓宽了复合材料的应用范围。

  目前,CCF被广泛应用于复合材料中,具有高强度、高模量、质轻等优点,相比于短纤维,长纤维具有更强的增强效果,并随着浸渍技术的改善,可使纤维与树脂更加紧密结合,进一步提高复合材料的各项力学性能。

  目前,较为常用的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料的方法是通过熔融浸渍法制备连续纤维增强热塑性树脂预浸带,然后通过模压的方法制备板材。其中,模压过程中的铺放方式是影响复合材料性能的一个重要因素。现以聚对苯二甲酸乙二酯(PET)为例,采用CCF为增强材料,通过熔融浸渍法制备CCF增强PET预浸带。对制备的预浸带进行裁剪,按照0°,0°/90°,0°/90°编织(以下简称编织)三种不同预浸带铺放方式,经热压模塑制得层压复合材料板材,研究预浸带不同铺放方式对复合材料板材力学性能、电导率和热性能的影响,并探讨分析了相关原因。

  (1)通过熔融浸渍方式制备CCF增强PET预浸带,并在预浸带模压过程中辅以适当的铺放方式,可以制得综合性能较高的PET/CCF复合材料板材。

  (2)0°方向铺放的PET/CCF复合材料板材综合性能最佳,其弯曲强度可达1 080.09 MPa,缺口冲击强度达到242.99 kJ/m2,热导率为1.46 W/(m·K),较纯PET热导率提高了630%,平行于纤维方向的电导率为0.44×10-3 S/cm。

  将PET置于线 h除去水分,称取一定量的PET、抗氧剂1010和168 (两种抗氧剂的质量分数均为0.2%),混合均匀。启动单螺杆挤出机的升温加热程序开始加热升温,挤出机三段温度分别为250,260,275℃,模具温度为275℃。达到设定温度后,加入混合均匀的物料,将熔融状态的PET通过单螺杆挤出机进入浸渍模具(螺杆转速为9 r/min),同时,在牵引机的牵引下,CCF经过分散装置均匀分散成平行单丝,在一定压力下从浸渍模具中的熔融树脂中通过,经拉挤完成树脂浸渍纤维的过程,最后通过压延机压延冷却制得预浸带。预浸带的制备工艺流程如下图所示。

  对预浸带进行裁剪,裁剪的长度为20 cm,按照0°,0°/90°和编织三种不同铺放方式铺放预浸带,共计12层。在压板模具中涂上脱模剂,并覆盖上聚酰亚胺膜,完成后将模具放入PLC-程序控制压片机 中,升温到290℃后预热5 min,在6 MPa下保温10 min,以20℃/min的速度冷却并保压5 min,最后脱模制得PET/CCF复合材料板材,板材中CF质量分数为36%。

  下图为0°,0°/90°和编织三种不同铺放方式制备的复合材料板材的弯曲强度。可以看出,单向0°铺放方式制备的复合材料板材的弯曲强度最高,为1 080.09 MPa,0°/90°次之,为506.39 MPa,编织制备的复合材料板材最低,为345.53 MPa。0°铺放方式制备板材中的CCF方向都相同,在受力方向上纤维含量更高,具有更高的承载力,而在0°/90°与编织两种铺放方式制备的板材中,CCF分散在两个正交方向,承受载荷能力减小,弯曲强度也相应减小。

  0°/90°与编织这两种铺放方式相比,虽然两者纤维在二维方向上分布及含量相同,但预浸带在编织的过程中会形成一种“交叉”特殊结构,如下图所示。纤维在此特殊结构部位中发生弯曲产生内应力,进而会影响复合材料板材的力学性能,所以编织方式制备的板材弯曲强度最低。

  下图为不同铺放方式下复合材料板材的缺口冲击强度。由图可明显看出,单向0°铺放方式制备的复合材料板材缺口冲击强度最高,为242.99 kJ/m2,而编织方式最低。结果表明,三种铺放方式对缺口冲击强度的影响与对弯曲强度的影响具有相似性。

  纯PET为绝缘性材料,其电导率<10-13 S/cm,而CCF具有优异的导电性能,这是因为其具有稳定的六边形平面结构及平面之间的离域电子云,六边形碳环的分离与变形需要较高的能量,这在宏观上提高了CF的强度,电子云中的自由电子使其成为良好的导体。

  CCF作为增强材料与PET复合,制备的复合材料板材电导率较纯PET提高了十二个数量级,但复合材料板材的电导率较纯CCF降低了三个数量级,原因是树脂与纤维之间存在界面电阻,并且纤维和树脂自身的电阻制约了电子的运输。将沿0°铺放方向的电子传输定为平行于纤维方向,垂直于0°铺放方向的定为垂直于纤维方向。

  下图为0°,0°/90°和编织三种不同铺放方式制备的复合材料板材的电导率。

  由上图可以看出,单向0°铺放方式制备的复合材料板材在平行于纤维方向的电导率(0.44×10-3 S/cm)明显高于垂直于纤维方向的电导率(0.15×10-3 S/cm)。这是因为,如下图所示,垂直于纤维方向传输电子时,纤维之间的树脂为绝缘材料,纵向电阻增大,且此方向没有导电路径,电子的传输受到制约,因此0°铺放方式下垂直于纤维方向的电导率较平行于纤维方向的电导率低。

  另外,在平行纤维方向上,0°铺放方式制备的复合材料板材的电导率大于0°/90°和编织两种铺放方式。这是因为0°铺放方式制备的板材中,纤维分布更均匀,具有更强的各向异性,并且在平行纤维方向上0°铺放方式的纤维束数量多,传输电子时具有更多的传输路径,而0°/90°与编织铺放方式制备的板材中,如下图所示,纤维分布在两个不同方向上,减少了平行纤维方向的导电路径,但同时也增加了垂直纤维方向上的导电路径,所以两者在垂直纤维方向上的电导率高于0°铺放方式的板材,并且两方向上板材纤维均匀分布,所以两方向电导率近似相等。

  下图为0°,0°/90°和编织三种不同铺放方式制备的复合材料板材的热导率。纯PET的热导率很低,仅为0.2 W/(m·K),而CCF是高碳含量材料,耐高温且具有优良的导热性能,CCF在纵向上平行排列,从而在PET中形成导热网络结构,有利于热量的传递。可以看出,0°铺放方式制备的PET复合材料板材热导率最高,为1.46 W/(m·K),0°/90°与编织铺放方式制备的板材热导率相差不大,分别为1.41,1.39 W/(m·K),较纯PET分别提高了630%,605%,595%。

  节选自《工程塑料应用》2022年第5期论文《连续碳纤维增强PET复合材料板材的性能》(有改动);作者任钊颍,乔亮,谭洪生,等;通信作者为山东理工大学谭洪生教授;页码39-43;论文doi号:10.3969/j.issn.1001-3539.2022.05.007。本文受山东省自然科学基金项目(ZR2017BEM026)资助。文中实物图片及视频均由谭洪生教授提供。