碳纤维织物增强聚苯硫醚基复合材料成型工艺及性能

摘要

纺织结构的纤维增强热塑性复合材料以其可回收、成型时间短、冲击韧性好等性能优势，在近几年乃至未来材料发展蓝图上都将表现出十分强劲的势头。但由于热塑性树脂基体的熔融粘度比较大，相比于热固性树脂而言，对纤维的浸润比较困难。因此，扩大热塑性复合材料的应用面临的一个最大难题就是解决树脂基体对纤维的浸润，同时热塑性树脂与增强纤维的粘合能力也是决定其发挥优越性能的重要因素。
　　本文采用传统的薄膜叠层模压法制备了碳纤维织物(CFF)增强聚苯硫醚(PPS)层压板，通过模压工艺的优化，得到力学性能优异的CFF/PPS复合材料。采用DSC、TGA、流变行为测试等手段对PPS基体性能进行了表征。基于其分析结果，考察了模压成型温度、压力、时间和加载方式等工艺参数对复合材料层压板力学性能的影响，并初步探讨了这些因素对材料结构与性能的调控机制。确定了最佳的热压参数为:热压温度330℃、热压时间25min，加压方式为0.5～2.1MPa三段式加压。在最佳工艺参数下制得的层压板拉伸强度为762.31MPa，弯曲强度720.93MPa，层间剪切强度58.90MPa，冲击强度46.18KJ/m2。借助SEM、金相显微镜等表征手段观察到，PPS基体完全渗透于纺织结构碳纤维单丝之间，复合材料层压板内部没有发现微观孔隙。
　　在获得最佳的热压参数后，本论文对CFF/PPS复合材料的界面进行了研究。由于碳纤维织物原先的保护浆料对复合材料的界面是不利的，因此首先探讨了丙酮去浆工艺和热处理去浆工艺对纤维及复合材料性能的影响，发现在适当的热处理条件下，热处理的去浆工艺效果比丙酮好。最佳的热处理条件为在氮气保护下，400℃处理4h。为了改善纤维与树脂的界面强度，探讨了三种界面改性剂对CFF/PPS复合材料性能的影响。实验表明:CFF-SKE1比CFF-KH和CCF-SKE3更适合于CFF/PPS复合材料的界面改性，当SKE1的丙酮溶液浓度为4％时，复合材料的综合性能相对较好。在CFF-SKEl-4条件下，复合材料的储能模量在其它界面改性剂制备的复合材料中是最高的，也验证了CFF与PPS界面结合强度的提高。
　　本论文还通过设计不同的热处理过程，研究了热处理温度和热处理时间对碳纤维增强聚苯硫醚基复合材料层压板性能的影响。其结果表明:热处理可以使得PPS分子链进一步舒展，结晶结构进一步完善。同时，在高温下的链松弛可以在一定程度上消除或减少复合材料在成型过程中所引入的残余热应力，结晶度提高，树脂和纤维的界面粘合强度提高。在230℃下处理4h后，弯曲性能、层间剪切强度都有所提高，但是缺口冲击强度下降则相对较大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 热塑性复合材料的优点与发展趋势

1．2 碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的研究现状

1．2．1 碳纤维的研究现状及发展趋势

1．2．2 碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的研究现状

1．2．3 碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的界面特性

1．2．4 碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的界面研究现状及存在问题

1．3 碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的制备技术及存在问题

1．3．1 模压成型

1．3．2 拉挤成型

1．3．3 辊压成型

1．3．4 缠绕成型

1．4 课题研究意义及内容

1．4．1 课题研究意义

1．4．2 课题研究内容

第二章 实验及测试方法

2．1 主要原料及设备

2．2 实验方法

2．2．1 PPS薄膜表面处理

2．2．2 碳纤维织物表面浆料的去除

2．2．3 碳纤维织物表面聚合物涂层

2．2．4 复合材料层压板成型

2．2．5 复合材料热处理条件

2．3 实验参数设定及性能表征

2．3．1 差示扫描量热仪(DSC)

2．3．2 热重分析仪(TGA)

2．3．3 流变测试仪

2．3．4 拉伸性能的测试

2．3．5 弯曲性能测试

2．3．6 冲击性能测试

2．3．7 层间剪切测试

2．3．8 纤维拉伸性能测试

2．3．9 纤维浸润性及断口形貌分析

第三章 CFF／PPS复合材料层压板的制备工艺及性能

3．1 引言

3．2 聚苯硫醚树脂性能的表征

3．3 碳纤维织物(CFF)表面去浆

3．4 热压成型参数对复合材料层压板力学性能的影响

3．4．1 热压温度对复合材料层压板力学性能的影响

3．4．2 热压时间对复合材料层压板力学性能的影响

3．4．3 纤维浸润性与断口形貌分析

3．5 本章小结

第四章 碳纤维织物表面处理

4．1 引言

4．2 碳纤维表面去浆分析

4．2．1 不同处理方式对碳纤维力学性能的影响

4．2．2 不同处理方式对碳纤维表面形貌的影响

4．2．3 不同处理方式对碳纤维织物复合材料力学性能的影响

4．3 界面改性剂对碳纤维织物复合材料性能的影响

4．3．1 碳纤维表面的XPS分析

4．3．2 硅烷偶联剂涂层对复合材料力学性能的影响

4．3．3 耐高温环氧树脂涂层对复合材料力学性能的影响

4．3．4 不同界面改性剂对复合材料断口形貌的影响

4．3．5 不同界面改性剂对CFF／PPS复合材料的动态力学性能的影响

4．4 本章小结

第五章 热处理对CFF／PPS复合材料性能的影响

5．1 引言

5．2 热处理温度对CFF／PPS复合材料层压板性能的影响

5．3 热处理时间对CFF／PPS复合材料层压板性能的影响

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读硕士研究生阶段发表的专利和论文

致谢