连续碳纤增强热塑性复合材料制备及性能研究

摘要

连续纤维增强热塑性复合材料因韧性高、成型周期短和可重复加工等优点，使其关注度越来越高。但由于热塑性基体的高粘度，增大了基体对纤维的浸润难度，使其性能得不到很好的发挥。只有改善了基体对纤维的浸渍程度，才能充分发挥碳纤维与热塑性基体的协同作用，使连续纤维增强热塑性复合材料的应用更加广泛。 为了克服热塑性熔体粘度大而难以均匀浸渍碳纤维的缺点，本论文利用实验室自制的展纤装置，先将碳纤维丝束展宽，再通过静电粉末喷涂的方式制备出了连续碳纤维（CCF）增强热塑性预浸带，通过对制备出的预浸带层叠热压，得到CCF增强热塑性复合材料。基于不同的基体材料，分别制备了单向连续碳纤维增强尼龙6（CCF/PA6）复合材料和单向连续碳纤维增强聚醚醚酮（CCF/PEEK）复合材料。 本文研究了制备工艺对单向预浸带的拉伸性能的影响。当PA6基体粉末质量分数为25％、热压温度为250℃、热压压力为1.5MPa时，有最优性能，最大拉伸强度为1364MPa。当PEEK质量分数为30%、热压压力为2MPa、热压温度为380℃时，CF/PEEK拉伸性能最好，强度为1125.73MPa，其拉伸性能较CF/PA6较低，进一步的SEM显示：热塑性基体对碳纤维的浸渍程度良好，但因为PEEK粉末粒径与PA6粉末相比较大，预浸效果不太理想。 对预浸带进行层叠热压制备出单向CCF增强热塑性复合材料层压板，并探索了复合材料成型过程中的最优成型压力和成型温度，最终成功制备了力学性能良好的CCF/热塑性复合材料。 成型温度250℃、成型压力3.5MPa、保压时间20min时制备出的CCF/PA6单向板具有最优性能，最大拉伸强度为（1.40±0.032）GPa；最大弯曲强度和弯曲模量为（1.37±0.04）GPa和（122.69±7.98）GPa。成型温度380℃、成型压力4.7MPa、保压时间20min时制备出的CCF/PEEK单向板具有最优性能，最大拉伸强度为（1.71±0.04）GPa；最大弯曲强度和弯曲模量为（1.82±0.018）GPa和（124.75±2.57）GPa。借助扫描电镜观察得，复合材料内部无明显的孔隙与气泡，基体与碳纤维之间浸渍良好。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 连续碳纤维（CCF）增强热塑性复合材料

1.2.1 碳纤维简介

1.2.2 连续纤维增强热塑性复合材料简介

1.3 CCF展丝技术简介

1.4 连续纤维增强热塑性预浸料的制备工艺

1.4.1 溶液浸渍法

1.4.2 熔融浸渍法

1.4.3 粉末浸渍法

1.4.4 纤维混编法

1.5 连续纤维热塑性复合材料的成型技术简介

1.5.1 模压成型

1.5.2 双模成型

1.5.3 缠绕成型

1.5.4 真空袋成型

1.6 论文研究意义及研究内容

1.6.1 论文研究意义

1.6.2 课题主要研究内容

2 低损伤碳纤维展丝技术及工艺

2.1 引言

2.2 机械展丝机理

2.3 展丝实验装置

2.3.1 实验材料与设备

2.3.2 实验平台

2.3.3 展宽装置的研究

2.3.4 展宽损伤的研究

2.4 本章小结

3 连续碳纤维增强热塑性预浸带的制备与表征

3.1 引言

3.2 实验原料与设备

3.2.1 实验原料

3.2.2 实验仪器与设备

3.3. 材料制备与表征

3.3.1 CCF/热塑性预浸带的制备

3.3.2 CCF增强热塑性预浸带的表征

3.4 CCF/PA6预浸带性能分析

3.4.1 热压温度对CCF/PA6预浸带力学性能的影响

3.4.2 热压压力对CCF/PA6预浸带力学性能的影响

3.4.3 PA6基体含量对CCF/PA6预浸带力学性能的影响

3.4.4 CCF/PA6预浸带的浸润性能

3.5 CCF/PEEK预浸带性能分析

3.5.1 热压温度对CCF/PEEK预浸带力学性能的影响

3.5.2 热压压力对CCF/PEEK预浸带力学性能的影响

3.5.3 PEEK基体含量对CCF/PEEK预浸带力学性能的影响

3.5.4 CCF/PEEK预浸带的浸润性能

3.6 本章小结

4 CCF增强热塑性复合材料层压板的制备及性能

4.1 单向CCF/热塑性复合材料层压板的制备

4.2 测试与表征

4.2.1 基体含量的测试

4.2.2 拉伸性能

4.2.3 弯曲性能

4.2.4 微观形貌表征

4.3 单向 CCF/PA6 复合材料层压板的成型工艺及性能研究

4.3.1 成型温度对 CCF/PA6 单向板弯曲性能的影响

4.3.2 成型压力对单向 CCF/PA6 单向板弯曲性能的影响

4.3.3 成型温度对单向 CCF/PA6 复合材料拉伸性能的影响

4.3.4 成型压力对单向 CCF/PA6 复合材料拉伸性能的影响

4.3.4 CCF/PA6单向层压板的微观形貌

4.4 单向 CCF/PEEK 复合材料层压板的成型工艺及性能研究

4.4.1 成型温度对 CCF/PEEK 复合材料层压板弯曲性能的影响

4.4.2 成型压力对单向 CCF/PEEK 复合材料弯曲性能的影响

4.4.3 成型温度对单向 CCF/PEEK 复合材料拉伸性能的影响

4.4.4 成型压力对单向 CCF/PEEK 复合材料层压板拉伸性能的影响

4.4.5 CCF/PEEK单向层压板的微观形貌

4.5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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