短碳纤维增强聚乙烯树脂复合材料制备与性能研究

摘要

随着高性能热塑性树脂的发展，以及热塑性树脂复合材料成型加工技术的不断成熟，热塑性树脂复合材料已成为复合材料领域中最引人注目的研究开发点。本课题以缩短生产周期、降低制备成本为目的，以短切碳纤维为增强体，以聚乙烯树脂为基体，运用螺杆注射成型的方法制备碳纤维增强热塑性树脂复合材料。研究了碳纤维含量、碳纤维氧化处理对复合材料密度、硬度、拉伸、疲劳等性能的影响，分析了复合材料拉伸断裂破坏机理、疲劳断裂破坏机理以及碳纤维增强机理。研究结果表明：
　　(1)随着碳纤维含量的增加，碳纤维增强聚乙烯树脂基复合材料的密度和维氏硬度随着碳纤维含量的增加而逐渐增加。复合材料的维氏硬度在碳纤维含量小于3.365％时接近线性增加，在碳纤维含量大于3.365%时迅速增加；当碳纤维含量为4.021%时，复合材料的维氏硬度比纯聚乙烯增加了35.489%。
　　(2)添加碳纤维的复合材料比纯聚乙烯的拉伸强度、弹性模量都大，且随着碳纤维质量分数的增加，碳纤维增强聚乙烯复合材料的拉伸强度、弹性模量都逐渐提高。当碳纤维质量分数达到4.021%时，相对纯聚乙烯而言其拉伸强度、弹性模量分别增加了18.421%、208.024%。
　　(3)在碳纤维含量相同的情况下，空气氧化法处理过的碳纤维增强聚乙烯复合材料的拉伸强度和弹性模量比未处理的有提高。当碳纤维含量为0.411%时，氧化处理过的复合材料弹性模量比未处理的大36.192%；当碳纤维含量为3.986%时，氧化处理过的复合材料拉伸强度比未处理的大4.719%。
　　(4)随着碳纤维含量的增加，碳纤维增强聚乙烯树脂复合材料的条件疲劳极限值（循环数N=103即循环次数对数值lgN=3所对应的最大应力Smax）由纯聚乙烯时的2.379MPa，逐渐增大到碳纤维含量4.021%时的9.096MPa，增大了282.346%，增加的速度是逐步减小。碳纤维增强聚乙烯复合材料的疲劳寿命也增加，碳纤维含量不同的复合材料S-N曲线走势大致相似。
　　(5)未处理的碳纤维增强聚乙烯树脂复合材料拉伸断口可看到聚乙烯树脂基体受力拉丝现象，而处理过的拉伸断口只有少量碳纤维拔出并且有大量聚乙烯树脂黏附在碳纤维表面，碳纤维与聚乙烯树脂基体牢牢粘附而没有分离，基本没有碳纤维被拔出后形成的孔洞，部分碳纤维被从根部被拔断，在聚乙烯树脂基体中虽只有一个露头，但仍然没和聚乙烯树脂基体脱开。氧化处理的碳纤维增强聚乙烯树脂复合材料的疲劳断口上碳纤维露出头的长度比未处理的要长很多；随着碳纤维含量的增加，复合材料的疲劳断口上银纹越来越少，韧窝形貌越来越粗大。

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主要符号说明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 碳纤维增强热塑性树脂复合材料的概述

1.3 碳纤维增强热塑性树脂复合材料组成及研究现状

1.4 碳纤维增强热塑性树脂复合材料制备技术

1.5 本课题研究背景及意义

1.6 本课题研究的内容

第二章 短碳纤维增强聚乙烯树脂复合材料制备与性能检测

2.1 材料的制备

2.2 实验设备

2.3 性能检测

第三章 短碳纤维含量对复合材料密度、硬度的影响

3.1 碳纤维含量对复合材料密度的影响

3.2 碳纤维含量对复合材料硬度的影响

3.3 小结

第四章 短碳纤维增强聚乙烯树脂复合材料拉伸性能的研究

4.1 实验测试结果

4.2 碳纤维含量对复合材料拉伸性能的影响

4.3 碳纤维表面氧化处理对复合材料拉伸性能的影响

4.4 拉伸断裂损伤破坏及碳纤维增强机理

4.5 小结

第五章 短碳纤维增强聚乙烯树脂复合材料疲劳性能的研究

5.1 实验测试结果

5.2 实验结果分析

5.3 疲劳断裂机理

5.4 小结

第六章 总结

6.1 主要工作回顾

6.2 本课题今后需进一步研究的地方

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文和著作

致谢