碳纖維增強復(fù)合材料

碳纖維增強復(fù)合材料liuq1217@163.com碳纖維增強尼龍復(fù)合材料摘要：綜述了碳纖維增強尼龍的發(fā)展過程，分別介紹了連續(xù)纖維和三維編織碳纖維增強尼龍的力學(xué)性能以及應(yīng)用。關(guān)鍵詞：連續(xù)碳纖維、三維編織碳纖維、尼龍、力學(xué)性能、復(fù)合材料liuq1217@163.com尼龍材料

尼龍作為一種極為重要的熱塑性工程塑料，自上世紀(jì)5O年代美國杜邦公司工業(yè)化生產(chǎn)以來，已有五十年的發(fā)展歷史，目前位居工程塑料之首。6O年代后發(fā)展起來的鑄型尼龍(MCPA)合成技術(shù)，又將尼龍的使用推上了一個新的臺階。

與普通尼龍相比，鑄型尼龍具有聚合溫度低、工藝簡單、結(jié)晶度高、分子量大、機械強度高等特點，目前其制品已廣泛應(yīng)用于汽車、機械、石油化工、紡織、交通、建筑、冶金等行業(yè)，且已收到明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。一、前言：liuq1217@163.com尼龍材料

尼龍本身是性能優(yōu)異的工程塑料，但吸濕性大，制品尺寸穩(wěn)定性差．強度與硬度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如金屬．

為了克服這些缺點，早在70年代以前．人們就采用碳纖維或其它品種的纖維進行增強以改善其性能．liuq1217@163.com碳纖維增強尼龍復(fù)合材料

用碳纖維增強尼龍材料近年來發(fā)展很快，因為尼龍和碳纖維都是工程塑料領(lǐng)域性能優(yōu)異的材料，其復(fù)臺材料綜臺體現(xiàn)了二者的優(yōu)越性，如強度與剛性比未增強的尼龍高很多，高溫蠕變小，熱穩(wěn)定性顯著提高了，尺寸精度好，耐磨。阻尼性優(yōu)良，與玻纖增強相比有更好的性能。

因而碳纖維增強尼龍(CF／PA)復(fù)合材料近年來發(fā)展很快。目前國內(nèi)外CF／PA復(fù)合材料主要是以短切或長碳纖維增強PA6、PA66等基體。liuq1217@163.com碳纖維增強尼龍復(fù)合材料

例如美國Wilson—Fiberfil公司使用40％碳纖維增強PA一66，其彎曲強度可達(dá)2758MPa，拉伸強度可達(dá)到317．2MPa，而純尼龍66樹脂的拉伸強度只有86MPa。CFRPA66已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、體育用品、紡織機械、航空航天材料等領(lǐng)域。liuq1217@163.com連續(xù)碳纖維增強尼龍復(fù)合材料力學(xué)實驗

試驗所用材料為自制MC尼龍、連續(xù)碳纖維增強MC尼龍(簡稱CCF／MCPA)，碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為l2％～24％。碳纖維為T300高強度聚丙烯腈基碳纖維，其密度為1．76g／cm3，單纖直徑為6-8微米，由日本進口，將碳纖維進行450℃／h空氣氧化處理。

摩擦磨損試驗在MM一200型摩擦磨損試驗機上進行，試樣尺寸為25mm×7mm×6mm，表面經(jīng)600#砂紙打磨。對磨偶件為45#鋼試環(huán)，熱處理硬度為40～45HRC，直徑40mm，厚度10mm，表面粗糙度Ra=0.32-0.63微米。用丙酮清洗試樣和試環(huán)表面?；瑒铀俣葹?．42m／s。試驗載荷分別為50N、150N、250N，滑動時間為60min。實驗內(nèi)容：liuq1217@163.com連續(xù)碳纖維增強尼龍復(fù)合材料力學(xué)實驗

通過記錄摩擦力矩T(取記錄平均值)及環(huán)的半徑r和載荷P，利用公式μ=T／(rP)計算得到摩擦系數(shù)。通過測量磨痕的寬度計算出磨損體積，再計算出單位體積和單位載荷下的磨損體積損失，并以此評價磨損率w。

采用Neophot光學(xué)顯微鏡觀察和分析偶件試環(huán)磨損表面形貌，并進而分析材料轉(zhuǎn)移情況及磨損機理；采用XL30ESEM型掃描電子顯微鏡觀察磨痕及磨屑的形貌。liuq1217@163.com連續(xù)碳纖維增強尼龍復(fù)合材料力學(xué)實驗表1為不同碳纖維體積分?jǐn)?shù)CCF／MCPA的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，由表可知，復(fù)合材料的彎曲強度、彎曲彈性模量、沖擊強度和平面剪切強度隨碳纖維含量的增加而提高，橫向剪切強度略有下降。liuq1217@163.com連續(xù)碳纖維增強尼龍復(fù)合材料力學(xué)實驗

根據(jù)復(fù)合材料混合定律，隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的強度增大，材料宏觀表現(xiàn)為強度增加。

CCF／MCPA的剪切強度由基體與纖維共同決定，且纖維的強度遠(yuǎn)高于基體，此時，其平面剪切強度主要受纖維控制，基體主要傳遞載荷的作用，所以，纖維體積含量越高，CCF/MCPA的平面剪切強度越大，與復(fù)合材料的混合定律一致。liuq1217@163.com連續(xù)碳纖維增強尼龍復(fù)合材料力學(xué)實驗

在低載荷時，由于基體MC尼龍已處于粘流態(tài)轉(zhuǎn)變階段，摩擦系數(shù)高，粘著轉(zhuǎn)移嚴(yán)重。而在更高載荷時，在摩擦溫度的作用下，材料的表層粘度下降，起到潤滑劑的作用，摩擦系數(shù)小，磨損率也降低。摩擦系數(shù)與載荷的關(guān)系磨損率與載荷的關(guān)系liuq1217@163.com連續(xù)碳纖維增強尼龍復(fù)合材料力學(xué)實驗圖2復(fù)合材料磨損表面及磨削形貌的SEM照片在載荷為50N和250N時，磨損表面均裸露出大量纖維，一方面起承載作用，另一方面可阻止偶件表面微凸體對基體的切削作用，降低磨損率。250N時，纖維因磨損逐漸變細(xì)，由于沒有基體的支撐和保護，纖維最終斷裂脫落。liuq1217@163.com連續(xù)碳纖維增強尼龍復(fù)合材料力學(xué)實驗圖3偶件鋼試環(huán)的對磨表面形貌照片當(dāng)載荷為50N時，對磨環(huán)表面的轉(zhuǎn)移膜呈分離的、不連續(xù)的長條塊狀；當(dāng)載荷為250N時，對磨環(huán)表面形成了比較均勻而連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜。liuq1217@163.com連續(xù)碳纖維增強尼龍復(fù)合材料力學(xué)實驗

1)CCF／MCPA復(fù)合材料的彎曲強度、彎曲彈性模量、沖擊強度和平面剪切強度隨碳纖維含量的增加而提高。結(jié)論：

2)CCF／MCPA復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損量隨著載荷的增加而降低。

3)CCF／MCPA復(fù)合材料其磨損機制主要是磨粒磨損和粘著磨損。liuq1217@163.com三維編織碳纖維增強尼龍復(fù)合材料

短碳纖維復(fù)合材料加工性好，長碳纖維復(fù)合材料則具有較好的力學(xué)性能。而三維編織復(fù)合材料具有整體性和力學(xué)結(jié)構(gòu)合理兩大特點。三維編織復(fù)合材料作為一種結(jié)構(gòu)與功能完美結(jié)合的先進紡織復(fù)合材料越來越受到人們的重視。

由于其異型件一次編織成型，纖維貫穿材料的三個方向形成三維整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以從根本上解決了傳統(tǒng)復(fù)合材料沿厚度方向的剛度和強度性能較差，面內(nèi)剪切和層間剪切強度低，易分層且沖擊韌性和損傷容限低等缺點。liuq1217@163.com三維柏編織途碳纖鹽維增棉強尼兄龍復(fù)壩合材噸料美國A．B．Ma邊ea豎nd董er等通惑過實紛驗證盆明了盡三維猶編織邊物能屋夠大辱幅度峽提高柿復(fù)合潛材料戰(zhàn)的強籌度和金剛度管這一腔事實似。正克是基慣于這扎些優(yōu)寫點，C3D／PA復(fù)合弓材料梨必將遣擁有如廣闊咬的發(fā)崇展前派景。li發(fā)uq米12刷17遠(yuǎn)@1桑63俯.c舊omC3D／PA復(fù)合望材料化的合論成工蛛藝傳統(tǒng)蜜熱塑事性復(fù)糟合材土料合慨成方養(yǎng)法有陶兩種稅，預(yù)先雖浸漬窮法和忘后浸強漬法。這兩樓種方服法各氣有利嘴弊，預(yù)先龜浸漬虹法在加葬工前互即已耗達(dá)到籌成品塔形狀灑，其屈缺點勿是不易敞形成頓復(fù)雜彎形狀笑的制困品且片浸漬跡液的墳揮發(fā)海和回圖收費蛛用高婦，容從易造特成環(huán)巾境污沸染；后浸適漬法采用拐纖維甩混編釣或?qū)⑹狗蹱钯t基體辱材料暮與增政強纖蘋維共滴混熱尋壓，艙較之起預(yù)先巖浸漬袋法容易冰形成遷形狀扛復(fù)雜險的制步品，編但成見型過就程中射極易剛產(chǎn)生損內(nèi)應(yīng)臉力。1、后股浸漬意法與邁三維烘整體哄編織時技術(shù)蔽：li想uq齊12材17遠(yuǎn)@1既63賠.c健omC3D／PA復(fù)合偵材料時的合簽成工拒藝后浸錢漬法雪將纖綱維狀跳熱塑丙性聚門合物影與增妻強纖黑維共見混編搖織或術(shù)粉狀芝熱塑稍性聚伶合物伏與增齒強纖脹維混透合后疏，加漠熱至糧聚合祥物熔赴點以酒上的摧溫度界，保貿(mào)壓成碌型，彼其實滅質(zhì)亦幸是以聚偶合物獲熔體已浸漬章纖維。We晉n—Sh維yo掌ngKu餐o采用足后浸膀漬及呈兩步壤編織雅法制富得C3D／PA復(fù)合增材料逼，并歌對其暴力學(xué)饞性能豆和破史壞形永式作交了研統(tǒng)究，么認(rèn)為產(chǎn)控制腔合適孤的熔貿(mào)融溫殘度和屈保壓揉時間否對其冬性能幻玉的影盲響十列分明鉛顯。Mi右ts尚ug診uTo膨do等亦教以整悼體編輕織技搭術(shù)制芳備并改研究做了C3D增強PA及改猛性尼型龍(擺PA永)復(fù)合籍材料邪拉伸寒破壞喂行為團。li規(guī)uq椅12雀17全@1籠63聲.c敏omC3D／PA復(fù)合蘭材料謙的合賀成工疏藝天津阿工業(yè)宴大學(xué)復(fù)合齒材料槐研究屈所研親究的暴“三繡維異撿型整寒體編轎織工爽藝的環(huán)研究壇和三仿維編蘋織設(shè)遞備及想織物畢的研仁制”母項目旗，已外獲國真家科辮技進即步二幣等獎踐。吳曉優(yōu)青等的肚研究債表明界，采碧用三決維整吩體編膨織方初法成涌形的攝熱塑截性復(fù)餅合材鋒料的竹拉伸歇強度筒比國寒外采沙用注族射成場型法噴熱塑積性復(fù)口合材敞料的較拉伸蹤蝶強度朋高1.志5倍。享這說蘋明三材維整找體編橡織技脾術(shù)是桶制備C3D／PA復(fù)合象材料證的一忙種可獄行方枯法。li延uq援12地17英@1軟63兼.c牙omC3D／PA復(fù)合卷材料僵的合錯成工茫藝但目鹿前，摔國內(nèi)皺尚未抗有以韻此技浙術(shù)進墓行C3D／PA復(fù)合直材料京制備丟的報興道。股由于春三維恰整體役編織主所制忘得的冷材料候是預(yù)辮制件歲而不仁是最返終產(chǎn)文品，癥要形走成復(fù)研合材枝料還版必需貴注入崇基體方復(fù)合料固化堂，工賣藝較揉為復(fù)省雜。2、液叉態(tài)原貓位縮搖聚與螞靜態(tài)忌澆鑄漿法：樹脂鋪傳遞爛模塑(R劉TM蛋)工藝是三杠維編拳織復(fù)讀合材習(xí)料最壟適宜岸的制舍備技急術(shù)，蹤蝶然而RT喇M對基酬體的巧要求童苛刻(如粘冒度，孩固化炭時間深等)，使饅得三慚維編被織復(fù)輝合材資料的角基體毀僅限胃于一徒些低叮粘度投的熱妄固性吵聚合景物，盛嚴(yán)重們制約營了三快維編汽織復(fù)吵合材臥料的警快速滔發(fā)展盲。li岔uq攝12設(shè)17扎@1跟63猛.c討omC3D／PA復(fù)合伍材料桐的合押成工等藝PA乓6熔體籌的粘泄度較頓高，哭流動燃性差，因零此與三騾維編然織體厲浸潤尋不好。但虹其單碑體具辱有較風(fēng)低粘唉度，狡理論婆上我覆們可川以采唯用液盆態(tài)原腥位縮額聚法仿合成C3D／PA復(fù)合振材料集。所謂液態(tài)婦原位差縮聚，是鬼指基催體材相料在蹦小分踏子狀俘態(tài)下粱與增近強材偉料充景分浸初潤，纏然后宮樹脂魔基體梅在增枕強體薯表面經(jīng)聚合訪。進妥行了施這方慮面的燒一些換研究步后，俱所制科得的C3D／PA復(fù)合焦材料稿的彎遵曲強卸度、牽模量作與人涂體皮啊質(zhì)骨深相當(dāng)禽。li悅uq暢12圾17襖@1體63遮.c迫omC3D／PA復(fù)合腸材料青的合踢成工譯藝靜態(tài)張澆鑄渠法操作凈方便聯(lián)、工鎖藝簡錄單，芝在制互備小訊型件盾時較袍為方椒便，術(shù)但對裁于大藝型件穿或形唯狀復(fù)罰雜件袍則不胖太適留合。這是興由于藏單體攤活性睛料對帽溫度棗、水率分均遣很敏伏感，厘活性殖料對涼纖維務(wù)編織醒體的宿浸潤鏡需要黃一定讓時間行。如長樂時間繩保持佛低溫駁，則獄活性冬料極箭易失涉效；晃如提麥高澆戀鑄溫渡度，殃活性甩料粘閘度迅豬速上膽升，肯不易屆充分牛浸潤克纖維映。li鑰uq易12倦17喝@1席63斑.c獅omC3D／PA復(fù)合未材料奔的合曬成工控藝反應(yīng)錄注射繪成型(R略IM高)技術(shù)翠，首勿先被Ba盼ye霞r用以尤合成孔聚氨通酯。還隨后迅，又面提出參尼龍RI桌M合成靠體系重以改救進聚懼氨酯暫的缺鍬點，機械圖強度嫁不足杏、耐忽熱性獅及流害動性跌差等。因此功，國莊外研宮究人羽員提猶出了修更有惕效的董制備C3D／PA復(fù)合扶材料齡的方燈法，火即反主應(yīng)注我射成梨型技訪術(shù)。3、反舒應(yīng)注大射成望型技垃術(shù)19寧81年美國Mo竊ns炊an疲do公司發(fā)表越了以袋汽車興外身勇件為暖目標(biāo)編的尼欲龍反通應(yīng)注脫射成韻形體惕系。li奴uq搜12沿17脊@1涌63欠.c引omC3D／PA復(fù)合舟材料日的合杜成工堅藝此后索不久日本Su淋mi或to爪mo縮慧R窯ub鏡be員r公司租的Os棚ak撕a成功管地通溝過RI術(shù)M技術(shù)站合成殲出長躍碳纖乳維增喇強尼嬸龍復(fù)信合材財料。江通過軍向預(yù)陸先鋪貞好長腎碳纖襯維的視模具窄中注習(xí)入低害粘度痛的熔駁融己肚內(nèi)酰驕胺單鬼體，過使得皇己內(nèi)堪酰胺著單體啞在模商具中爬于纖示維表捏面聚戒合成白尼龍疲大分綠子，找有效申地克奧服了合熱塑惠性材身料熔盤體粘考度高閉，不褲易流蠻動這哄一障涉礙。RI明M法，鴨利用樸液態(tài)瞇原位咱聚合枕原理坑，使途尼龍堡基體粘與碳勻纖維泰很好維地浸何潤，磁且由股于有修真空混及壓使力輔聞助，艇使得暈大型嘴件及斯形狀劣復(fù)雜均的中緒空制紐奉件的剝合成露變得薄可行梅，是里制備C3D／PA復(fù)合勒材料餃較為羊合適會的方酒法。Su乳mi似to耽mo灶Ru膏bb騰er公司升正準(zhǔn)季備將摔這一山技術(shù)載應(yīng)用帆到需選求廣罵泛的少體育和器材屠及汽植車組猾件領(lǐng)鈔域中派。li已uq禾12喉17濾@1閣63朋.c熟omC3D／PA復(fù)合情材料攀的合偽成工棒藝T．Ya挑ma桌gu暖ch銹i等分秘別將糖玻纖紫增強葛與碳攜纖增努強環(huán)朋氧基由復(fù)合沖材料擺與RI臣M尼龍管基復(fù)殺合材埋料進番行了謠比較煎，并蘭得出件碳纖輸增強RI墓M尼龍箏復(fù)合擋材料債具有瘦比其折它材席料更沫優(yōu)良傳的綜子合性錫能的淹結(jié)論。T．Ya唇ma皇gu牌ch摩i等在赤實驗輩的基家礎(chǔ)上聲，通語過RI畫M技術(shù)短制得川由C3D／PA復(fù)合同材料好構(gòu)成愛的中空皺網(wǎng)球誘拍，這石種球陣拍強度芳、硬巷度與同賞密度遭的環(huán)辦氧復(fù)釘合材借料球殿拍相膚當(dāng)甚鉤至更親高。些在15頁70瓦N的作鋪用力攤下，撈能承傍受90萬次步的沖王擊測蝦試，某其減愛震性攀能優(yōu)汗于同咳密度暖的環(huán)迫氧基死復(fù)合母材料。li展uq升12仍17身@1憂63脅.c稅omC3D/P飯A6復(fù)合他材料尾工藝耗特點哈及影底響因撿素由于答纖維劃編織愚物是脈由碳李纖維退成束敬編織之而成土，纖維猶結(jié)構(gòu)可緊湊拴，纖助維與濃纖維旁之間蔑排列爺緊密獄，孔命隙較視小，這擇給PA哨6／C3D復(fù)合伯材料夾的制鈔備帶醬來困身難。C3D/P奸A6復(fù)合儲材料軟工藝必特點:經(jīng)初錫步探剩索，騾采用仁催化釘劑用健量較攝低的筍活性傍料配衣比進汗行澆律注，書模具授的預(yù)河熱溫鍋度采蝕用(1諸50±5)航℃，可裹獲得墊基體牙致密包的PA養(yǎng)6／C3D復(fù)合穗材料戀。li粉uq孩12暗17規(guī)@1餅63項.c梯omC3D/P耽A6復(fù)合艙材料閱工藝霉特點弓及影靈響因續(xù)素纖維開體積繁分?jǐn)?shù)的影挽響模具肥預(yù)熱蜘溫度的影春響催化腔劑用無量的影債響纖維淘表面?zhèn)顟B(tài)的影似響影響寧因素紛：li圣uq返12談17哄@1用63頃.c紀(jì)omPA羊6／C3D復(fù)合愧材料笑熱機誰械性政能分顆析PA水6及其吊復(fù)合悼材料漠的儲揀能模建量隨迫溫度鹿變化型曲線li壩uq怪12請17逗@1堅63友.c免omPA逐6／C3D復(fù)合新材料巷熱機綿械性臭能分鵝析由于慨三維送編織開是多觀根紗橡線同棟時參編加編均織，進并且續(xù)多根洪紗線象在編超織過之程中襪都按田一定嬌的規(guī)聾律運賴動，遷從而燒相互窯交織頑在一士起，鋸形成彼一個章三維加整體土網(wǎng)狀爺骨架者，而坐三維稍骨架己中紗蜻線的冊取向雁決定每了復(fù)顧合材近料的退承載膠主方圍向。因此PA的6／C3D復(fù)合鳴材料另比PA爹6、PA岔6／CL復(fù)合奧材料碑更適新合于鍬制作廉結(jié)構(gòu)法件。li酒uq柿12餡17頭@1狼63群.c鹿omPA耀6／C3D復(fù)合趴材料仿熱機彈械性迎能分震析PA勝6及其棵復(fù)合軟材料膊的lo希g(ta線nδ)隨溫樣度變賓化曲杜線lo斧g(叛ta衰nδ)的最味高拐默點所闖對應(yīng)裕的溫講度為收其相繩應(yīng)的Tg,，三糟者分鼠別為50千.7、40速.1、50屢.0客℃，可晨以認(rèn)王為三耽維編變織碳燭纖維昨與PA促6基體鉛復(fù)合瞇后，悉兩者屯之間貞存在辛很強蓮的相課互作今用，置從而鋸形成警了良好笨的結(jié)筒合界郵面，對PA置6體系額非晶表區(qū)主過鏈的諷運動燙并不桐造成廊多大銀的阻落撓，誘因此Tg基本塵保持腸不變。li釋uq貝12糞17嚴(yán)@1勸63開.c礎(chǔ)omPA鄉(xiāng)豐6／C3D復(fù)合隱材料形熱機積械性誓能分獲析(1領(lǐng))用三海維編漆織碳哥纖維觸作增筍強體之的尼會龍6復(fù)合木材料盆的熱強久度比尼東龍6提高4．37倍以腔上。結(jié)論亂：(2尸)用三轎維編賊織碳繞纖維習(xí)作增魄強體吃的尼沉龍6復(fù)合騙材料辦在加慚熱條包件下追基體呈非晶逝區(qū)的玻璃輕化轉(zhuǎn)朝變溫遣度基檢本上目保持雞不變。(3笑)在加嶺熱情懇況下輩，三翁維編艘織碳嘩纖維煙增強竊尼龍6復(fù)合雄材料半的綜合悉性能優(yōu)于們長碳喘纖維姑增強漂尼龍6復(fù)合黃材料說。li期uq鞏12廚17謊@1芳63妥.c薦om應(yīng)用Su躬mi維to憐mo羨R暫ub允be慮r公司通過虜反應(yīng)導(dǎo)注射攀成型竿技術(shù)登制得彎網(wǎng)球猾拍(編織鉤碳纖挖維體杯積比芝為50半)，將剖其與辭同質(zhì)錄量環(huán)泄氧基開復(fù)合霜材料語進行乖對比糞，兩曲種復(fù)值合材老料的殊性能尚如表1所示討。li群uq叉12反17無@1炒63為.c消om應(yīng)用在同毫樣壓匠