碳纤维织物增强热塑性复合材料的制备与研究

摘要

碳纤维织物（CFF）增强热塑性复合材料具有可回收再生、成型时间短、冲击韧性好等性能优势，是一种很有发展前景的材料。聚丙稀（PP）是一种价廉、韧性高、防腐性能和综合性能优良的通用塑料，可以大量用作汽车复合材料基体。聚苯硫醚（PPS）是具有优异的耐高温、耐溶剂性、化学稳定性和高强高模的热塑性特种工程塑料，可以用作航空热塑性复合材料基体。本文通过薄膜叠层模压法制备了碳纤维织物增强聚丙烯（CFF/PP）、碳纤维织物增强聚苯硫醚（CFF/PPS）两种复合材料层压板，并采用扫描电子显微镜（SEM）、偏光显微镜（POM）、静力学性能测试、动态力学分析（DMA）、差示扫描量热仪（DSC）等测试手段对它们的结构、性能及其主要影响因素进行了研究。
　　我们采用在PP基体中添加马来酸酐接枝改性的聚丙烯（MAPP）的方法以改善 CF与 PP基体间的界面结合力，探索了不同MAPP/PP(M-PP-x)配比对CFF/PP复合材料层压板力学性能的影响。当MAPP/PP配比为10％时，复合材料的拉伸强度和冲击强度较高；当MAPP/PP配比为15%时，复合材料的弯曲强度和层间剪切强度较高。
　　采用MAPP-PP共混物作为基体对CFF/PP进行界面改性，可以提高CFF/PP复合材料的力学性能，但实际上真正起到改性作用的只是界面层的MAPP，而基体内部过量的MAPP却会牺牲复合材料的强度和模量。我们受到热固性树脂基预浸料优化制备方法的启发，进一步改进了上述工艺。利用MAPP在高温下可溶的特性，提出一种使树脂分布均匀、力学性能稳定的热塑性预浸料及复合材料制备方法：先用MAPP高温溶液对CFF进行表面处理，溶剂挥发后得到预浸料，再进而与PP薄膜经过叠层模压法制备复合材料。采用该工艺方法制备的CFF/PP与前述工艺相比，拉伸强度、弯曲强度、冲击强度和层间剪切强度均显著提高，尤其是拉伸强度提高了2倍左右。
　　本论文还考察了不同界面强度下，织物变形对复合材料力学性能的影响。构筑不同的CF-PP界面结合强度，通过铺层方式改变CFF在复合材料中的规整性，制备出具有相似织物形变但不同界面结合力的复合材料。研究发现，界面结合力越强，织物形变对复合材料力学性能带来的负面影响越大。
　　针对CFF/PPS航空复合材料，本文主要研究了PPS基体的非等温结晶动力学和不同条件下CF诱导PPS的结晶行为。结果表明，降温速率对PPS结晶结构与形态的影响非常明显。当降温速率处于10K/min-70K/min之间，CFF/PPS的起始结晶温度与结晶峰位均随着冷却速率的增加而向低温方向移动，且CFF/PPS复合材料中PPS晶粒尺寸变小、结晶度有所下降，复合材料层压板的强度和韧性提高，弯曲强度提高了23.8%，表征韧性的冲击强度提高了15.1%，但弯曲模量降低了2.1%。如果在CFF/PPS复合材料成型的降温过程中加载压力，CF表面与PPS分子链间的剪切力可以诱导CF附近的PPS基体生成横晶；经过表面涂层改性处理的CF同样可以诱导横晶，且横晶结构更加规整、完善；横晶改变了复合体系中CF-PPS的界面结构，增加了界面结合力，可以有效改善界面的应力传递行为，显著提高了复合材料的力学性能。

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第一章 绪论

1.1 碳纤维复合材料

1.2 碳纤维增强复合材料的界面研究

1.3 热塑性复合材料基体的改性研究

1.4 热塑性复合材料成型与加工

1.5 本论文的研究内容

第二章 基于基体改性的CFF/PP复合材料制备及性能调控

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4本章小结

第三章 基于CFF表面处理的CFF/PP复合材料制备及性能调控

3.1前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4本章小结

第四章 基体结晶结构调控及其对复合材料力学性能的影响

4.1 前言

4.2 参考理论

4.3 实验部分

4.4 结果与讨论

4.5本章小结

第五章 全文总结

参考文献

研究生期间发表的论文和专利

致谢