碳纤维增强尼龙-6复合材料湿热老化研究

摘要

碳纤维增强尼龙-6复合材料具有可回收，高强度的特点，因此受到广泛关注。但是尼龙-6基体易于吸水的特点限制了其广泛应用，因此本论文针对尼龙-6基体的特点，对短切碳纤维增强尼龙-6复合材料与连续碳纤维增强尼龙-6复合材料的耐湿热老化性能展开研究。论文的主要内容如下： 1.利用双螺杆挤出机制备短切碳纤维增强尼龙-6复合材料，利用薄膜层压法制备连续碳纤维增强尼龙-6层合板，调整优化工艺参数，最终制备得到高性能复合材料，设置相应的湿热老化实验方案。 2.研究短切碳纤维增强尼龙-6复合材料湿热老化行为，并针对典型力学性能强度保留率进行寿命预测。研究发现CF/PA6复合材料的水分扩散符合Fick扩散定律，加入短切碳纤维有效改善尼龙-6耐湿热性能，CF/PA6吸水增重率与平衡吸湿量均小于纯PA-6树脂，且水分扩散系数随着温度升高而增大。对水分扩散过程进行有限元仿真，仿真结果与实验数据、一维Fick数值模型吻合良好。比较了CF/PA6与PA6材料湿热老化后的拉伸强度和冲击强度，并利用电镜对断面形貌进行观察发现水分的扩散削弱了纤维与基体的结合作用导致基体破裂是力学性能下降的主要原因。最后采用Arrhenius公式对复合材料基于湿热老化后的拉伸强度保留率进行寿命预测。 3.研究连续碳纤维增强尼龙-6复合材料湿热老化行为，对比几种扩散系数求解方法。对三种不同尺寸的CF/PA6w层合板在三种温度湿热老化环境中进行了50天的吸水增重测试，利用一维、三维Fick水分扩散定律及等效扩散系数模型拟合，并求解扩散系数，对比发现三维Fick水分扩散模型与实验结果吻合度高。通过有限元仿真发现，基于三维扩散系数的仿真方法准确度更高。探究了湿热老化对CF/PA6w力学性能的影响，发现在20,40和60℃湿热老化环境中老化336h后，弯曲强度分别为初始值的68.03%，63.16%和66.52%，其下降趋势与样条水分吸收密切相关。此外，观察了湿热老化前后的CF/PA6复合材料表面和横截面微观结构，发现在湿热老化环境中PA-6树脂出现了大量微裂纹及孔隙结合DSC和DMA测试分析得到，水分子进入与尼龙分子形成氢键导致分子链断裂及柔性增强，尼龙-6基体结晶度下降，宏观表现为机械性能的下降。 通过以上研究为碳纤维增强尼龙-6复合材料的深入研究与应用提供了有效的实验数据支持与理论分析。

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