非连续碳纤维增强聚醚砜树脂基复合材料的制备工艺与力学性能研究

摘要

本文以高性能热塑性树脂聚醚砜(PES)为基体，添加磨碎碳纤维(CFP)和短碳纤维(SCF)作为增强相，采用模压工艺制备了力学性能优异的CFP/PES和SCF/PES复合材料，研究了纤维长度及体积分数、混料工艺、纤维表面氧化处理等对复合材料性能的影响，并通过对断口进行扫描电镜观察分析了其影响机制。研究表明:
　　对于PES树脂，随着加热温度的提高和加热时间的延长，其流动性不断提高，试样的致密度和拉伸性能逐渐增大;而继续提高温度和延长时间后，树脂氧化变质的倾向也会愈加明显。370℃下加热90min时，PES试样的拉伸强度为84.6MPa，拉伸弹性模量为2603MPa，断裂伸长率为48.2％，与厂家给出的理论值基本符合，选为最终加热方案。
　　对于CFP/PES复合材料而言，湿法混料能使纤维与树脂混合更均匀，同体积分数下，采用湿法混料制得试样的强度、刚度以及断裂延伸率均优于干法混料。随着碳纤维体积分数的增加，CFP/PES试样的刚度逐渐增大，断裂延伸率逐渐减小，而强度则先增大后减小。采用湿法混料，添加10％CFP时复合材料的综合力学性能最佳，此时拉伸强度为108.8MPa，拉伸弹性模量为5401MPa，断裂延伸率为14.8％，弯曲强度为165.1MPa，弯曲模量为5090MPa，相比于纯PES而言，综合力学性能得到较大提高。
　　通过空气氧化处理，碳纤维表面的弱界面层被分解，同时表面出现的沟槽和刻痕增大了碳纤维表面的粗糙度，使得碳纤维与PES树脂的机械嵌合作用及锚锭效应增强。但氧化过度后，碳纤维表面的刻痕深入纤维本体内部，严重损害了纤维本体的强度。
　　对于添加10％氧化处理后的CFP，并采用湿法混料制备的CFP/PES复合材料，随着氧化温度的提高和时间的延长，试样的强度和弹性模量均先增大后减小，而断裂延伸率则不断提高。CFP经500℃空气处理60min后，CFP/PES的综合力学性能最佳，此时拉伸强度为135.8MPa，拉伸弹性模量为5834MPa，断裂延伸率为25.5％，弯曲强度为202.7MPa，弯曲模量为5634MPa。
　　对于添加不同长度、体积分数的500℃空气处理60min的SCF制备的SCF/PES试样，随着碳纤维体积含量的增加，复合材料的强度总体呈先增大后减小的趋势，而弹性模量逐步提高，断裂延伸率则逐渐减小。同一体积分数下，纤维长度越长，强度和断裂延伸率越低，但对弹性模量影响甚微。加入25％的2mm长SCF的试样综合力学性能最佳，此时拉伸强度为138.7MPa，弯曲强度为213.7MPa，拉伸弹性模量为8452MPa，弯曲弹性模量为8239MPa，断裂延伸率为9.2％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 碳纤维的发展与应用概述

1．1．1 碳纤维的性能特点

1．1．2 碳纤维的发展概况

1．1．3 碳纤维的应用

1．2 高性能树脂的性能与发展概述

1．2．1 高性能树脂的性能特点

1．2．2 高性能树脂的发展概况

1．2．3 高性能树脂聚醚砜的应用

1．3 碳纤维增强树脂基复合材料的成型工艺概述

1．3．1 碳纤维增强树脂基复合材料的界面

1．3．2 碳纤维表面的结构、性能及改性工艺

1．3．3 模压成型的基本原理与主要特点

1．4 本课题研究的背景、意义及内容

1．4．1 选题背景与研究意义

1．4．2 研究内容

2 实验部分

2．1 实验主要原料

2．1．1 基体树脂

2．1．2 增强纤维

2．1．3 化学试剂

2．2 实验主要仪器与设备

2．3 试样制备工艺与流程

2．4 性能测试

2．4．1 拉伸性能测试

2．4．2 弯曲性能测试

2．4．3 密度测定

2．5 扫描电镜观察与分析

3 PES纯树脂试样的制备工艺与性能研究

3．1 PES纯树脂试样的制备工艺方案

3．1．1 预压与预热的作用

3．1．2 模压压力的选择

3．1．3 模具加热方案

3．2 不同加热条件下PES纯树脂制品的密度

3．3 不同加热条件下PES纯树脂制品的拉伸性能

3．4 本章小结

4 CFP／PES复合材料试样的制备工艺与力学性能研究

4．1 CFP／PES复合材料试样的制备工艺方案

4．1．1 热塑性树脂对碳纤维的浸渍方法

4．1．2 树脂与碳纤维的混料工艺

4．1．3 碳纤维的空气氧化处理工艺方案

4．2 混料方式与CFP体积分数对CFP／PES力学性能的影响

4．2．1 混料方式与CFP体积分数对CFP／PES拉伸性能的影响

4．2．2 混料方式与CFP体积分数对CFP／PES弯曲性能的影响

4．2．3 机理分析

4．3 空气氧化处理工艺参数对CFP／PES力学性能的影响

4．3．1 空气氧化处理温度及时间对CFP／PES拉伸性能的影响

4．3．2 空气氧化处理温度及时间对CFP／PES弯曲性能的影响

4．3．3 机理分析

4．4 本章小结

5 SCF／PES复合材料试样的制备工艺与力学性能研究

5．1 SCF／PES复合材料试样的制备工艺方案

5．2 SCF长度与体积含量对SCF／PES力学性能的影响

5．2．1 SCF长度与体积分数对SCF／PES拉伸性能的影响

5．2．2 SCF长度与体积含量对SCF／PES弯曲性能的影响

5．2．3 机理分析

5．3 本章小结

6 结论

致谢

参考文献