碳纤维增强热塑性树脂的研究

目录1 绪论11.1 选题的依据及意义11.2 3D打印技术的发展11.3 碳纤维增强热塑性树脂研究进展31.4 本论文的主要研究内容102 实验部分112.1 实验原料112.2 实验仪器及设备122.3 试样制备过程122.4 性能测试153 实验结果分析及讨论173.1 复合材料的外部形貌173.2 复合材料的亚微观结构的观察203.3 碳纤维增强热塑性树脂复合材料的力学性能测试224 结论24参考文献25致谢27南昌航空大学学士学位论文碳纤维增强热塑性树脂的研究1绪论1.1选题的依据及意义近年来，随着人类科技的不断进步，在新兴行业（如3D打印机）的应用上，普通性能的热塑性树脂的强度和韧性越来越不能达到人们的要求了。而碳纤维增强热塑性塑料(CF/TP)是热塑性复合材料的重要分支之一，因为有良好的性能，较高的强度等性质，使得其越来越受到消费者的青睐。而且又因为生产及制造CF增强热塑性树脂复合材料的技术正在不断完善，并且CF生产量在渐渐增多，使得CF增强热塑性树脂复合材料的价钱逐渐变低。因此随着CF增强热塑性树脂材料的进一步发展，以及CF增强热塑性树脂复合材料成型加工的技术持续成熟以及得到突破，CF增强热塑性树脂复合材料一定会变成3D打印原材料领域里吸引大家目光的发展方向。热塑性树脂拥有良好的韧性，卓越的加工性能，可以运用在快速加工成型复杂制品的上，并且具有低成本、可回收性等性质。另外，碳纤维增强热塑性树脂复合材料具有下列特征较高的模量与强度；抗蠕变性；耐疲劳性；优异的振动衰减特性；耐摩擦、磨损；耐蚀性等众多的优异性能1。所以CF增强热塑性树脂复合材料在3D打印机上的应用有非常大的潜力可以挖掘。本文研究CF增强热塑性树脂复合材料主要的目的是研究牵引速度对复合材料成型的外表面的影响、复合材料直径D对CF居中度的影响、提高CF增强热塑性树脂材料的力学拉伸性能，让 3D打印机用的CF增强热塑性树脂复合材料性能更加优越。1.2 3D打印技术的发展3D打印是一种累积制造、迅速成型的技术。主要是把一种数字模型文件作为基础，然后把塑料、特殊蜡材、粉末状的金属、木材粉末、陶瓷等可粘合的材料当成原料，再运用打印喷头堆积制造立体的物体。现可用于打印的介质种类繁多，如金属（图1-1a为Solid Concepts公司生产的3D打印手枪，图1-1b是图为第四军医大学西京医院的医生在展示3D打印骨盆钛合金假体备份）；塑料（图1-1c是上海3D打印展览的3D打印婚纱礼服，图1-1d为设计师厄尔斯图尔特设计的3D打印鞋）；建筑材料（图1-2a上海张江高新青浦园区的3D打印建筑）；木材（图1-2d法国生产商 Jeremie Francois生产的木材打印产品）等等。3D打印已经成为一个重要的发展方向，而热塑性树脂材料正因为其方便快捷，成为3D打印技术中重要的发展组成部分。但是由于3D打印的塑料产品往往是镂空的，我们需要让塑料的力学性能足够支撑3D打印产品，所以对塑料的进行性能的增强是势在必行的。碳纤维能够增强热塑性树脂的综合性能，使塑料的各种性能得到一个较好的提高。是3D打印原料的未来发展方向之一。（a）3D打印手枪 (b)3D打印钛合金骨骼（c）3D打印婚纱 (d)3D打印鞋子 图1-1金属和塑料制造的打印产品 (a)3D打印建筑 （b）3D打印木材雕塑图1-2建筑材料以及木材打印产品1.3碳纤维增强热塑性树脂研究进展1.3.1纤维增强热塑性树脂复合材料1.3.1.1玻璃纤维增强热塑性树脂复合材料方立2研究了长玻璃纤维增强聚丙烯（GF/PP）复合材料。其通过设计一种热塑性树脂的熔融浸渍装置，用来获得一种良好的GF/PP的预浸带，然后运用层压成型的工艺，来提高两层树脂之间的剪切性能。结果表明，该浸渍装置有良好的效果，增强效果比PP薄层提高的两层之间的剪切强度11.5%以及短GF提高的层间剪切强度27.6%要好，达到了38.6%。但是，在提高复合材料的弯曲性能这个方面，并没有良好的效果。张彦庆3研究了长GF/PP复合材料。其使用两台双螺杆挤出机，让上挤出机和下挤出机成90度如图1-3所示，制备了一种长GF增强PP复合材料。树脂由上挤出机共混、熔融，然后供应到下挤出机，在同一个时间，将已经加热的GF从进纤口加到下挤出机里，最后熔体由模具的模头挤出来，最后加工得到制品。图1-3 GF/PP成型示意图崔峰波4研究了GF增强尼龙PA（GF/PA）复合材料。其使用了特别的GF浸渍设备，并且用双螺杆挤出机将共混均匀的改性添加剂和纯尼龙（PA）粒料进行塑化。通过该浸渍设备，其制备出了分散性能和浸渍程度较好的长GF/PA66、长GF/PA6粒料。并研究了GF的纤维长短、GF的质量比例等对增强材料的性能的改变。研究结果表明，长GF/PA66、长GF/PA6的力学性能随着GF的质量比例的变大而增大。而且改变GF的长度，力学性能也会相应发生改变。1.3.1.2碳纤维增强热塑性树脂复合材料李力等5研究了CF/PE复合材料。其使用注射成型的成型方式，把PE当成基体物质，短CF当成增强体，制备了CF/ PE基热塑性复合材料。研究结果表明，在实验研究的范围内（CF含量0-4.02%），随着CF质量百分比的增多，CF/PE 基热塑性复合材料疲劳极限值、弹性模量、拉伸强度都得到了增加，并且都是在CF含量达到4.02%时，各项增加率达到最大，分别是213.2%、208.0%、18.4%，但是疲劳极限值的增加速率在逐渐减小。郑亮6研究了CF增强共聚型二氮杂萘联苯结构聚醚砜（CF/PPBES）复合材料。其把连续的CF当作增强体，使用了PPBES树脂作为基体，通过热压成型的工艺，制造得到了CF/PPBES复合材料。通过实验研究，他发现CF/PPBES复合材料的弯曲强度在CF的含量达到57%时达到最大值，为1092.4MPa，但是随着CF的含量的增加，CF/PPBES复合材料的弯曲模量呈现线性增加。而CF/PPBES复合材料得层间剪切强度，呈现一个曲线形，并且在CF的含量在57%-65%时达到最大值。牛军锋7研究了CF与GF增强聚苯硫醚(PPS)复合材料。该文章研究了不同的含量、不同滑动速度的纤维增强体对PPS的磨损以及摩擦性能的影响。研究结果说明: CF纤维和GF纤维有效的增加的纤维增强PPS复合材料的磨损以及摩擦性能;并且纤维增强PPS复合材料的摩擦系数随着CF或GF的含量的增加慢慢增加。但是纤维增强PPS复合材料的摩擦系数会随着载荷的增强反而逐渐减小，但磨损率增加。对比CF和GF增强PPS复合材料，发现CF增强PPS复合材料拥有较低地摩擦系数与较小地磨损率。1.3.1.3天然纤维增强热塑性树脂复合材料Khoathane等人8研究了大麻纤维增强1 -戊烯/聚丙烯（PP1）复合材料。研究发现，在质量含量0-30%的范围内，增加漂白后的大麻的含量会导致1 -戊烯/聚丙烯（PP1）共聚物复合材料的纤维拉伸强度先增加，后减小。在纤维含量0%增加到5%时，PP1的抗拉强度由20 MPa增加至30MPa，然后在纤维填充物的含量由5%增加到20%时，PP1的抗拉强度从30MPa降至23MPa。在这之后，抗拉强度又开始增加，当纤维填充物含量为30%时，其抗拉强度大约等同于5%的纤维含量时。Li等人9研究了亚麻纤维增强PE复合材料。在这项研究中，亚麻纤维，含有58w/t%的亚麻碎片被用来增强聚乙烯(高密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯)。该复合材料含有10w/t%的纤维，并通过挤出、注塑两种成型加工方法。用碱、硅烷偶联剂、高锰酸钾、丙烯酸、亚氯酸钠五个表面改性方法处理亚麻纤维，来提高纤维与基体之间的界面粘结力。实验结果表明，复合材料的拉伸强度在表面改性后增加。这些表面改性技术中，丙烯酸是提高亚麻/LDPE和LLDPE复合材料的拉伸性能的一种比较好的方法。SAIN10等人研究了低分子量MAPP和天然纤维如旧新闻纸，牛皮纸浆增强聚丙烯复合材料，大麻纤维的品种与拉伸性能的关系。SAIN等人研究了一种低分子量的MAPP对天然纤维（如旧报纸，牛皮纸浆和大麻纤维）增强聚丙烯复合材料拉伸性能的影响。研究结果表明，旧报纸填充的PP复合材料的拉伸强度和拉伸弹性模量分别在偶联剂（MAPP）的质量分数为4和1.5的时候，达到最大值。Herrera-Franco和 Valadez-Gonzalez11研究了龙舌兰连续纤维增强高密度聚乙烯（HDPE）的拉伸性能。研究发现，硅烷偶联剂最佳的处理浓度是质量含量为0.015%。研究的结果表明，硅烷偶联剂可以增加复合材料的抗拉强度。但是，值得注意的是，该纤维基质界面的改性对连续龙舌兰纤维增强HDPE复合材料的杨氏模量的值的没有任何显著的效果。1.3.2成型加工方法1.3.2.1挤出成型宋国君等12利用双螺杆挤出机， PA6作为基体，将经过表面处理的CF当成增强体，制备成CF /PA6 复合材料。研究发现，经过表面处理的CF的表面粗糙度比没有处理的CF拥有更好的表面粗糙度。将经过表面处理的CF/PA6 复合材料与未经过表面处理CF/PA6复合材料相比，发现经过表面处理的复合材料力学性能得到明显提高，其中拉伸模量增加了50%，拉伸强度增加了35%。李春华 13研究了碳纤维增强聚碳酸酯（CF/PC）复合材料。其以PC为基体，经过表面处理的CF为增强体，并且使用双螺杆挤出机，生产制造了CF/PC复合材料。李春华通过不同纤维表面处理方法、CF纤维的长度控制、碳纤维的质量比例和挤出时的工艺参数来观察CF/PC复合材料性能的改变。研究说明，在气相氧化、硅烷偶联剂+液相氧化、液相氧化这三种处理方法中，硅烷偶联剂+液相氧化表面处理法表现出来的结果最好。CF的含量增加时，CF/PC复合材料的力学性能得到了明显的提高。而经过不同试验，发现挤出温度越高，转速越快，CF的分布越均匀，而且性能得到了相应的提高。 马小丰等14使用双螺杆挤出机，聚甲醛（POM）为基体，CF当成增强体，使用挤出成型的方法制备了碳纤维增强聚甲醛（CF/POM）基复合材料。研究了CF/POM复合材料热学性能、力学性能、熔体流动性能与CF的不同含量的关系。研究结果说明，CF/POM复合材料的热变形温度，随着CF含量的增多而增加：CF/POM复合材料与聚甲醛相比，弯曲强度，拉伸强度，弯曲模量都得到了提升。当CF的含量为25%时，CF/POM复合材料各项力学性能综合起来是最好水平。Siaotong15研究了亚麻纤维增强聚乙烯（LDPE和LLDPE）复合材料的纤维的质量含量、挤出机筒区的温度、挤出螺杆速度最佳值。研究的结果说明， LLDPE复合材料的纤维含量为6.25、筒区的温度为75-116-126-136-146C、螺杆速度为118转和LDPE复合材料的纤维含量为5、筒区的温度为75-118-128-138-148C、螺杆的速度128转时产生最大拉伸值，分别是17.09MPa与21.70MPa。而温度的最佳值（T），更接近（75-120-130-140-150）的较高温度段，因为在较低的温度下，会引起树脂的熔体不一致，可能导致纤维在复合材料中分散性不均匀，并最终降低拉伸强度。螺杆速度的最佳值是接近低转速(110 rpm)的。这是因为螺杆速度越高，停留时间越短，纤维分散不均匀，孔隙率高，因此，会使抗拉强度降低。然而，意想不到的是达到最佳水平时，纤维含量很低。理论上，增加亚麻纤维会改善了复合材料的机械性能，然而，拉伸强度的实验结果否定了这个结论。1.3.2.2热压成型胡良志等16采用热压成型技术生产制造了磨碎CF增强聚醚砜 (CFP/PES)复合材料。研究了填充磨碎CF的添加共混方法、质量分数、磨碎CF的表面改性方法等几个方面对CFP/PES复合材料拉伸性能的影响。结果说明，磨碎CF的质量分数为10%时，力学性能最优;湿混法和干法混料两种方法中，湿混法比较好;表面改性后的磨碎CF使复合材料的拉伸性能明显上升。最佳的生产工艺是CF在415下，加热45分钟进行表面氧化处理，质量分数10%，并用湿混法制备复合材料。黄伟九等17将聚酰亚胺（PI）为基体，空心玻璃微珠（HGB）和碳纤维(CF)当成增强体，共混改性生产制造CF-HGB/PI复合材料。所制的 CF-HGB/PI复合材料与单独填充的PI基复合材料相比，摩擦学性能更好。而且当CF体积分数为10%，HGB体积分数为15%的时候，CF-HGB/PI复合材料的减小摩擦力性能以及耐磨的性能最好。彭静等18用热压成型制造了 CF增强聚醚砜酮（PPESK）复合材料。并研究了CF/PPESK/固体润滑剂复合材料耐磨性能与CF质量含量的关系。研究结果表明，在CF的质量分数0-5%的范围内，CF的加入使得复合材料的耐磨性能以及自润滑效果得到明显提升，而摩擦系数降低；当CF质量分数在5%-10%的范围内，CF/PPESK/固体润滑剂复合材料的比磨损率变化很小。当CF质量分数超过10%后，比摩损率稍微有所变大，但是其摩擦系数稍有减弱。1.3.2.3注射成型王超19研究了木粉增强PP复合材料。将PP作为基体，木粉作为增强体，并采用自行设计的一套用在普通的注塑机上的模具和喷嘴，注射成型制备PP基木塑复合材料。他对经过三种不同的工艺方法生产出的试样做了研究。发现在母粒法成型、一步法成型、两步法成型这三种成型方式中，两步法注射成型生产出来的木塑复合材料试样的微观结构、表观形貌、综合力学性能最为良好。并且发现母粒法可以让废旧的回收塑料用在木塑复合材料注射成型当中。李力20使用螺杆注射成型得方式，把短切的CF当成增强体，PE当作基体物质，生成了CF/PE复合材料。并且从CF的质量分数、CF的表面氧化处理两个方面，研究了这两个方面对CF/PE复合材料的硬度、密度、拉伸等性能的影响，CF/PE复合材料拉伸断裂以及疲劳断裂这个两种断裂的破坏机理，以及CF对复合材料的增强机理。研究结果表明，CF/PE复合材料的拉伸强度、弹性模量随着CF质量含量的增多而增大。复合材料和纯PE比较，纯PE的拉伸强度、弹性模量都要小于CF/PE复合材料。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%。Li等人21，运用注塑和挤出成型的方法生成了亚麻纤维增强HDPE。研究结果表明，亚麻纤维增强HDPE复合材料的拉伸性能随着亚麻纤维的含量呈现一个先增加后减小的趋势，在20%时达到最大值。不过，亚麻纤维增强HDPE复合材料的断裂伸长率与拉伸性能的结果成相反的关系。1.3.3纤维增强热塑性树脂表面处理方法杨长城等人22分别使用硝酸氧化改性、涂层复合改性的两种方法对CF进了行表面改性处理，制成了CF增强热塑性聚酰亚胺（CF/TPI）复合材料。研究表明，使用硝酸氧化表面改性处理方法的原理是， CF的表面随着处理时间的增长而变得粗糙，而且时间越长，就越粗糙。而涂层复合表面改性方法，是让聚酰亚胺在碳纤维的表面形成包覆层，这样既增强了CF和聚酰亚胺的界面结合力，又保护了CF。比较这两种不同的方法，对于处理后的磨损、摩擦的性能来说，涂层复合表面改性比硝酸氧化改性有更佳的效果。而且这两种改性方法的机理是不一样的，硝酸氧化改性是通过CF破碎断裂，将CF当成磨粒来磨损，而涂层复合表面改性使得CF跟基体紧密固定结合，不易断裂，磨损的表面比较光滑。胡和林23研究了大麻纤维的碱表面处理对大麻纤维增强聚乳酸（PLA）复合材料拉伸性能的影响。研究表明，用40体积分数的碱处理过的纤维时，复合材料具有最佳的拉伸性能。含有40%处理后纤维的复合材料的抗拉强度和拉伸模量分别为54.6 MPa和85 GPa，这比纯PLA高得多，特别是拉伸模量，比纯PLA（35 GPa）的两倍还多。魏佳顺等24运研究了CF增强聚醚醚酮（PEEK）复合材料。其用热压成型的工艺，使用的基体物质是PEEK薄膜，使用的增强体是经过表面处理的CF。研究结果表明，得到最佳效果CF的表面处理法是混合酸超声表面处理法。混合酸超声表面处理法制备CF有最良好的润湿性、最好的表面粗糙度，而且这样的CF制备的CF/PEEK复合材料拥有最良好的综合力学性能。李健25 研究了CF增强聚酰亚胺（CF/PI）复合材料。其使用热压工艺，将稀土溶液和空气氧化两种方法表面处理后的CF制得了CF/PI复合材料。研究了CF使用量与表面处理方式对CF/PI复合材料力学性能的影响。研究结果表明，在稀土溶液表面改性方法、空气氧化表面处理法中，稀土溶液表面处理方法更优秀。CF/PI复合材料的摩擦学性能随着复合材料中碳纤维质量的增加而得到提升。并且碳纤维的质量含量在20%时，制备得到的复合材料摩擦系数以及磨损量最小。孙伟等26用双螺杆反应挤出制备了CF增强尼龙6（CF/PA6）复合材料，并研究了不同的表面处理方法后的CF对CF/PA6性能的影响。结果指出用液相氧化+硅烷偶联剂复合处理法比气相氧化和液相氧化的表面处理法要好。并且CF质量分数是9%时，CF/PA6的力学性能最好；长度10mm 的CF生成的CF/PA6比长度5mm的CF生产的CF/PA6有更好的综合力学性能，而且这两种长度对挤出和CF在CF/PA6中的分散没有影响。1.3.4碳纤维的分布状态对热塑性树脂的影响张佐光等27研究了CF增强聚酰亚胺复合材料的力学性能与CF在复合材料中分布状态的影响。结果说明，CF增强聚酰亚胺复合材料的冲击、弯曲性能与CF分布的状态有密切的关系。不同分布的CF增强聚酰亚胺复合材料存在性能差异是和其内部应力分布相关的，CF非对称分布的HL、LH（L代表CF含量较低的铺层， H代表CF含量较高的铺层）层压板的性能随加载方向不同存在明显的变化，而CF对称分布的LHL、HLH层板，其性能则基本不会随着载荷方向变化而变化。当中LHL层压板的弯曲性能较差，但冲击韧性较好，HLH层压板的弯曲性能和冲击吸能特性都较好。图1-4表示四种不同的层压板厚度方向的CF分布状态。图1-4层压板中CF分布状态示意图杨进军28研究了复合材料固化变形与纤维的分布之间的关系。其用实验和有限元方法研究了纤维分布不均匀对复合材料固化变形的影响规律，分析了复合材料层压板产生纤维分布不均匀的原因。实验结果证明，纤维分布越不均匀，复合材料的固化变形就越大，层合板层数越多，复合材料层合板变形量而减小、固化变形程度还与层合板的铺层方式有关。贺鹏飞等29研究了纤维分布不均匀对单向纤维增强复合材料横向拉伸强度的影响。研究的结果说明，单向复合材料的横向的拉伸强度与纤维在基体中的分布特性有着极为密切的关系。纤维分布的不均匀性，使得基体内和界面上存在严重的局部应力、应变集中，导致材料内部较早发生损伤；另外，在纤维分布密集区域内，微观裂纹很容易通过自身的发展和相互间的连接而形成细观裂纹，导致材料破坏。因此，从材料设计和制造的角度，应尽可能减小纤维分布的不均匀性以及纤维密集区域的大小。1.4本论文的主要研究内容用CF增强热塑性树脂，通过单螺杆挤出机挤出制备CF增强热塑性树脂（LDPE、PP、ABS）复合材料。研究牵引速度对复合材料的外部形貌，以及复合材料的直径大小对CF居中性及力学性能的影响。满足人们对CF增强热塑性树脂运用在3D打印技术上的需求。2实验部分2.1实验原料实验的主要材料如下表2-1所示表2-1主要实验原料材料型号生产厂家碳纤维1K中丽新材料科技有限公司碳纤维12K中丽新材料科技有限公司ABS0215A中国石油吉林石化公司低密度聚乙烯2426H中国石油兰州石化公司聚丙烯Z30S中国石油化工有限公司广州分公司液体石蜡化学纯天津市福晨试剂厂邻苯二甲酸二辛酯分析纯天津市大茂化学试剂厂备注：k代表纤维的根数，1k就是1000根单丝。本次实验购入两种碳纤维，一种为散装1K碳纤维，另一种是轴装12K碳纤维。1K碳纤维的强度为3530MPa，弹性模量为230GPa；12K碳纤维的强度为4900MPa，模量为230Gpa。图2-1表示实验运用的两种不同碳纤维。 (a) 散装1K碳纤维 (b) 轴装12K碳纤维纤维图2-1实验运用两种碳纤维实验采用的ABS的拉伸强度为52MPa，LDPE的拉伸强度为11MPa，PP的拉伸强度为32MPa。2.2实验仪器及设备实验主要的实验仪器及设备如表2-2所示表2-2主要实验仪器及设备设备名称型号生产厂家真空干燥箱ZKXFB-1上海树立仪器仪表有限公司单螺杆挤出机SJ系列武汉怡杨塑料机械有限公司微机控制电子万能试验机WDW-50济南试金集团有限公司电子显微镜AM204OEM挤出模具DXDL-1武汉怡杨塑料机械有限公司单级旋片式真空泵RS-1浙江红宝石真空设备厂箱式电阻炉SX2-4-10上海跃进医疗器械厂2.3试样制备过程2.3.1 ABS的预处理ABS树脂里面具有强极性吸水的CN基团，这导致了ABS树脂拥有较大的吸湿性质。在挤出成型中，未干燥处理的ABS树脂易造成挤出丝表面不光滑有气泡等缺陷。所以，先使用单级旋片式真空泵，将真空干干燥箱抽成真空状态，然后将ABS原料树脂放在真空干燥箱中干燥，具体的干燥参数如下表2-3所示。处理完毕后，待用。表2-3ABS树脂处理条件树脂处理温度/处理时间/h处理条件ABS855真空2.3.2碳纤维的表面处理实验采用散装1K的CF，将纤维抽丝，抽出一定长度的1K的CF，将CF添加到在箱式电阻炉中，将温度调整为400，连续处理三十分钟，然后停止加热，让CF随着箱式电阻炉自然冷却到室温。然后将CF取出待用。2.3.3挤出成型 本实验采用电线电缆包覆法挤出成型制备长碳纤维增强热塑性树脂复合材料。该方法通过模具将碳纤维包覆在热塑性熔融树脂（LDPE、PP、ABS），通过热塑性熔融树脂（LDPE、PP、ABS）挤出包覆CF。具体的纤维和热塑性树脂在模具内的流向，如图2-2所示。图2-2挤纤维和树脂流向示意图2.3.4挤出机的清洗先将熔体粘度大的LDPE加入料筒中，挤出LDPE的同时将螺杆中的杂质带出来，然后再将实验使用的干燥ABS树脂加入料筒，将料筒中的LDPE完全挤出来。同理，每次挤出新的材料的时候，都要使用LDPE将料筒挤干净。2.3.5挤出成型工艺参数本实验采用单螺杆挤出机对CF增强热塑性树脂进行挤出包覆研究。本实验选用了三种热塑性树脂，分别是LDPE，PP，ABS。这三种树脂的挤出速度和各区挤出温度如下表2-4所示。表2-4树脂加工参数工艺参数LDPEPPABS 挤出速度(r/min)151535一区温度（）180185195二区温度（）185190200三区温度（）1901952052.3.6实验台的搭建本次使用的模具如图2-3所示，模具由三部分组成，其中2-3a是进纤维的口，长度为85mm，粗的部分直径为21mm；2-3b是连接进料口与挤出口的通道，其长为80mm，宽为70mm，高为60mm；2-3c是出树脂的口模，其直径为21mm。 (a)进纤维段 (b)连接段 (c)挤出口图2-3模具三段图本实验采用模拟电线电缆挤出的方法来拉挤成型制造碳纤维增强热塑性树脂，但是由于1K的 CF里面有1000根CF单丝，不像电线的包裹部分是金属，所以想从进纤维模具后段将纤维丝牵引出来难度极大。为了将CF从后段牵引至前段部分，尝试采用真空泵将CF抽出来，结果没有达到效果，所以最终本实验采用先将CF从尖口部分穿入，然后牵引CF到后段的方法，这样导致本次实验的CF长度受限。在实际生产中，应对进纤维段进行改造，将其设计成二段式，让尖口部分和后段分开，用螺纹连接，让其能轻松将纤维丝穿出。图2-4a是纤维穿过进纤维段的照片，图2-4b是碳纤维在模具组合起来后的照片。 a纤维穿过进纤维口 b纤维通过模具图2-4纤维在模具中的状态2.3.7碳纤维增强热塑性树脂复合材料的挤出在挤出前，将液体石蜡滴两滴到待挤出的树脂当中，用玻璃棒搅拌均匀，目的是减少树脂与挤出机腔体之间的摩擦。然后再添加几滴邻苯二甲酸二辛酯(DOP)作为塑化剂，以增强热塑性树脂的塑性。将定制模具DXDL-1安装在单螺杆挤出机中，将挤出机通电，打开加热按钮，对挤出机三段进行预热处理。等到挤出机的各段温度都达标以后，将欲挤出树脂加入料斗里，开动挤出机挤出按钮，开始挤出复合材料。2.3.8试样的制备 按照GB/T 3362-2005的标准，从拉伸试样中，截取光滑平直无缺陷的试样，截取长度为250mm，有效测试的长度是150mm，两边选用1mm的加强纸片，这样有利于夹具将试样夹紧。试样入图2-5所示。图2-5拉伸试样制作标准2.4性能测试2.4.1碳纤维增强热塑性树脂亚微观结构的观察将试样裁成5cm每段，测量其直径，然后用两个铁块夹紧固定，然后将OEM公司的AM204数码显微镜，放置在复合材料上方，然后调整焦距，将界面图片调成为最清晰的状态，然后用电脑记录下来，等待分析。2.4.2碳纤维增强热塑性树脂复合材料的力学性能测试采用电子万能试验机对复合材料的力学性能进行测试，具体方法如下：打开电子万能试验机，将试样用夹具固定好，在操作界面输入相应参数，以拉伸速度10mm/min速度开始拉伸，当试样断裂后，停止拉伸并记录试验数据，然后重复试验。拉伸强度是指在拉伸试验中，试样到断裂为止所承受的最大拉伸应力，按照下列公式计算： 式中：拉伸强度，单位是兆帕（MPa）； 试样破坏时的最大载荷，单位为牛顿（N）；D试样工作段的直径，单位为毫米（mm）；3实验结果分析及讨论3.1复合材料的外部形貌3.1.1 ABS预处理对复合材料形貌的影响由于ABS树脂当中含有强吸水的CN基团，如果不对ABS树脂进行干燥处理，其挤出物就会有明显的缺陷，会产生气泡。而本次实验选用其他两种树脂LDPE和PP没有含有强吸水树脂，所以不用干燥处理。图3-1a为未干燥处理的ABS挤出物，3-1b为干燥后ABS的挤出物。 (a)未干燥 (b)干燥后图3-1干燥前后ABS树脂的挤出产物3.1.2牵引速度对复合材料表面的影响挤出时需要给CF增强热塑性树脂复合材料一个牵引力，这样成型的树脂包裹纤维复合材料才能表面均匀光滑。图3-2是挤出CF/PE复合材料有无牵引力的对比图。 （a）无牵引力 (b)有牵引力图3-2 CF/PP复合材料有无牵引力对比图图3-3为1K CF/PP复合材料，均在挤出速度15 r/min，一区温度185，二区温度190，三区温度195的条件下，用不同的牵引速度去牵引复合材料，得出的不同粗细及形状的复合材料。图3-3a、图3-3b是牵引速度为0时，PP有挤出动力，而CF没有挤出力，PP沿着CF一圈一圈的包裹，其表面成螺旋状。图3-3c、图3-3d、图3-3e是牵引速度不为零，但不能形成正常包裹物的，其表面也呈螺旋状，但是螺旋的密度比图3-3a、图3-3b低。图3-3f、和3-3g是正常包裹的挤出产物，其表面光滑。图3-3h、 3-3i是牵引速度过快，导致没有足够的树脂来包裹CF，使得CF裸露。在正常工业生产中，应在挤出速度与牵引速度中找到一个最合适的比例，用来控制复合材料的直径。 (a)速度0 (b)速度0 (c)低速 （d）低速 (e)低速 (f)匹配速度 (g)匹配速度 (h)速度过快 (i)速度过快图3-3不同牵引速度对外貌的影响3.2复合材料的亚微观结构的观察选取不同粗细的复合材料，截取5cm长的复合材料，用游标卡尺测量其直径，在下端用两个铁块固定住，再使用AM204型的电子显微镜，靠近横截面，调整焦距，记录照片。图3-4是在挤出速度15r/min，一区温度180，二区温度185，三区温度190时，不同牵引速度下拉挤成型的不同直径CF/LDPE复合材料横截面。图3-5是在挤出速度15r/min，一区温度185，二区温度190，三区温度195时，不同牵引速度下拉挤成型的不同直径CF/PP复合材料横截面。图3-6是在挤出速度35 r/min，一区温度195，二区温度200，三区温度205时，不同牵引速度下拉挤成型的不同直径CF/ABS复合材料横截面(a)1.60mm (b)1.78mm (c)2.00mm （d)2.50mm（e）2.80mm （f）2.95mm （g）3.52mm （h）4.00mm图3-4不同直径CF/LDPE复合材料横截面从上图3-4可以看出，在相同牵引角度下，CF/LDPE复合材料在直径小于1.80mm时，复合材料中的CF不易居中，当CF/LDPE复合材料在直径大于1.80mm时，随着复合材料直径增大，CF越容易居中。从下图3-5可以看出，在相同牵引角度下，CF/PP复合材料，在直径小于2.00mm时，复合材料中的CF不易居中，当CF/PP复合材料在直径大于2.00mm时，随着复合材料直径增大，CF越容易居中。从下图3-6可以看出，在相同牵引角度下， CF/ABS复合材料，随着挤出复合材料直径的增大而容易包覆在中心。当CF/ABS复合材料的直径小于1.6mm时，CF/ABS复合材料中CF不易居中。 （a）1.12mm (b)1.20mm (c)1.60mm (d)1.82mm (e)2.00mm (f)2.50mm (g)2.94mm (h)4.15mm图3-5不同直径CF/PP复合材料横截面(a)0.98mm (b)1.20mm (c)1.50mm (d)1.58mm (9e)1.60mm (f)2.00mm (g)2.66mm (h)3.02mm图3-6不同直径CF/ABS复合材料横截面对于在实际生产中，我们应该控制牵引速度以及挤出速度，来控制包裹CF的树脂的量，控制牵引角度来使CF增强热塑性树脂复合材料中CF的位置。3.3 碳纤维增强热塑性树脂复合材料的力学性能测试图3-7是用相同的挤出温度和速度下用拉挤成型的方式，不同牵引速度下生成的CF/LDPE复合材料，截取的不同直径的拉伸试样。图3-7 CF/LDPE不同直径的拉伸试样图3-8是1K的CF/LDPE复合材料直径D为0.3mm、0.6mm、0.9mm、1.1mm、1.6mm、1.9mm、2.2mm、3.0mm的拉伸强度。 图3-9是1K的CF/PP复合材料直径D为0.3mm、0.58mm、0.86mm、1.00mm、1.20mm、1.50mm、1.70mm、2.0mm、2.2mm、2.4mm时的拉伸强度。图3-10是1K的CF/ABS复合材料的直径D为0.3mm、0.62mm、0.92mm、1.26mm、1.68mm、2.02mm、2.46mm、3.02mm。由图3-8、3-9、3-10可以看出，CF/LDPE、CF/PP、CF/ABS复合材料的拉伸强度随着复合材料直径的减小而减小。这是因为随着复合材料直径D的增加，复合材料中CF的含量减小，所以复合材料的增强效果平均分到了树脂当中，当CF在复合材料中的含量减小到一定程度以后，增强效果基本为0，CF/LDPE、CF/PP、CF/ABS复合材料的拉伸强度分别越接近LDPE、PP、ABS树脂的拉伸强度。4结论在我们的实验研究当中，利用单螺杆挤出机搭配自行设计的模仿电线电缆挤出模具，拉挤成型制备了CF/LDPE复合材料、CF/PP复合材料、CF/ABS复合材料。对拉挤成型的复合材料做了亚微观结构的观察、力学拉伸强度的研究，发现结果如下。（1）在相同的挤出条件下，随着牵引速度的提高，生产的复合材料直径减小，表面变得光滑。但是如果牵引速度过快会导致CF不易被包覆在树脂，甚至会导致碳纤维裸露在外面（2）CF的居中度与复合材料的直径有关，当CF/LDPE复合材料的直径小于1.8mm、CF/PP复合材料的直径小于2.0mm、CF/ABS复合材料的直径小于1.6mm时，直径越小，复合材料居中性越差。（3）CF/LDPE、CF/PP、CF/ABS复合材料的拉伸强度随着复合材料的直径的减小而减小。当复合材料中，热塑性树脂的直径大于1.5mm时，复合材料的拉伸强度减弱速度变小，然后渐渐的接近热塑性树脂的拉伸强度。参考文献1 陈桂富纤维增强热塑性塑料的发展及应用J化工新型材料，1993，35（11）：15.2 方立. 连续纤维增强热塑性复合材料制备及其性能的研究D.博士学位论文，华东理工大学，20123 张彦庆. 长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制备与研究D.硕士学位论文，华东理工大学，20134 崔峰波. 长玻璃纤维增强尼龙复合材料的制备及性能研究D.硕士学位论文，浙江大学，20115李力，曹昌林. 碳纤维含量对碳纤维增强PE复合材料力学性能的影响J 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