连续碳纤维增强PPBES基复合材料的力学性能.pdf

塑料工业 CHI NA P LAS TI CS I NDUS TRY 第 4 0卷 S l 2 01 2年 5月 连续碳纤维增强 P P B E S基复合材料的力学性能 郑 亮 ( 中石油辽河油 田分公 司钻采 工艺研究 院，辽宁 盘锦 1 2 4 0 1 0 ) 摘要 ：以共 聚型二氮杂萘联苯结构聚醚砜 ( P P B E S )树脂 为基体 、连续碳 纤维 ( C F ) 为增强体 ，通过溶 液预浸 、 热压成型工艺制备单向复合材料。通过对树脂溶液黏度 、复合材料纤维体积含量测试，复合材料样条 点弯曲、层间 剪切试验，研究了纤维体积含量对复合材料力学性能的影响，并借助 S E M断面形貌分析了复合材料受力破坏模式。 结果表明：C F P P B E S复合材料的弯曲强度随纤维体积含量的增加呈现先增大后减小的趋势 ，极值出现在 C F体积分 数 6 0 时；弯曲模量和层问剪切强度随纤维体积含量的增加呈现逐渐增大的趋势；复合材料受力破坏模式以树脂基 体 内部破坏为主。 关键词 ：聚醚砜 ；玻璃 纤维 ；复合材料 ；力学性能 中图分类号 ：T Q 3 2 7 3 文献标识码 ：A 文章编号 ：l 0 0 5 5 7 7 0 ( 2 0 1 2 )S 1 0 0 6 0 0 3 M e c ha n i c a l Pr o pe r t i e s o f Co n t i nu o us CF Re i nf o r c e d PPBES Co mpo s i t e s ZHENG Li a n g ( Dr i l l i n g& P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e o f L i a o h e Oi l fi e l d C o mp a n y ，C h i n a N a t i o n a l P e t r o l e u m C o r p o r a t i o n ，P a n j i n 1 2 4 0 1 0，C h i n a ) A b s t r a c t ：C o n t i n u o u s c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d c o p o l y ( p h t h a l a z i n o n e b i p h e n y l e t h e r s u l f o n e ) ( P P B E S ) c o mp o s i t e s we r e p r e p a r e d u s i ng a s o l u t i o n i mp r e g na t i o n p r o c e s s a n d ho t p r e s s mo l d i n g me t ho d Th r o u g h s o l u t i o n s v i s c o s i t i e s a nd fi be r v o l u me f r a c t i o n o f c o mp o s i t e s t e s t e s， t he e f f e c t s o f fib e r v o l u me f r a c t i o n o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s we r e s t u d i e d b y t hr e e p o i n t s b e n di ng， i n t e r l a mi n a r s h e a fin g t e s t An d b y S EM f r a c t ur e s u r f a e e a n a l y s i s， t h e f o r c e f a i l u r e mo d e s o f t h e c o mp o s i t e wa s s t u di e d The r e s u l t s s ho we d t h a t t h e fle x ur a l p r o p e rty o f CF PP BES c o mp o s i t e s we n t t o t he pe a k a t 6 0 v o 1 Th e fle x u r a l mo d u l us a n d i n t e r l a mi n a r s h e a r s t r e n g t h i n c r e a s e d wi t h i n c r e a s i n g fib e r v o l u me c o n t e n t Th e d o mi n a t i o n f r a c t u r e mo d e wa s ma t r i x f a i l ur e Ke ywo r d s： P PBES； Ca r b o n F i b e r； Co mp o s i t e s ； Me c h a n i c a l Pr o p e r t y 由于连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料性能 优异 ，如 比强度和比刚度高 、成本低 、可 回收再利用 和耐腐蚀等，已成为一种颇具竞争力的材料 ，并广泛 应用于 电子 、化工 和机械等领域 _ 】 - 2 。共 聚型二 氮 杂萘联苯结构聚醚砜 ( P P B E S )树脂作为新型高性能 特种工程塑料 ，由于含有独特的全芳环扭 曲非共平面 结构单元 ，使其 在兼顾优 异的力学性能和耐高 温性 ( 为 2 8 4 )的 同时还 可以溶解 于特 定 的有机 溶 剂 ，丰富了加工手段 ，是高性能复合材料 的重要基体 树脂之一 。 本文以 P P B E S树脂 为基体 ，连续碳纤维为增强 体 ，通过溶液预浸 、热压成型工艺制备 C F P P B E S单 向复合材料 ，重点考察了纤维体积含量对复合材料力 学性能的影响，并借助扫描电镜分析了复合材料的受 力破坏模式。 1 实验部分 1 1 原 材料 P P B E S ：4 4一羟基苯基 一 2，3一二氮杂萘 一1 一 酮 联苯二酚( D H P Z B P P )物质 的量 比为 6 ： 4、特 性黏度为 0 4 5 d L g ( 2 5，氯仿溶液 ) ，大连宝力 摩新 材料有 限公 司 ；碳纤维 ：T 7 0 0 1 2 K， 日本东丽 公 司 。 1 2复合材料的制备 1 2 1 树脂溶液及复合材料预浸料的制备 针对 P P B E S可 溶于特定极性 有机溶 剂 的特 点， 采用溶液共混法制备树脂溶液 。采用溶液浸润法在 自 制浸胶机上制备复合材料预浸料。 1 2 2 复合材料单向板成型工艺 采用热压成型法制备单向复合材料 。将预浸料剪 作者简介 ：郑亮 ，男 ，1 9 8 0年生 ，博士 ，主要从事高分子材料及复合材料应用研究 。z L 2 0 0 0 v v y a h o o c o n c n 第 4 0卷 s 1 郑亮 ：连续碳纤 维增强 P P B E S基复合材料 的力学性能 6 1 裁成模具大小 ，取 48片放人模具 中，在热压机上 成 型 。 1 3 测 试 方法 溶液黏度用旋转式黏度计( N D J - 4，上海精密仪 器仪表有限公司)在 2 3下测试 。 弯曲强度和弯 曲模量采用三点法按 G B T 3 3 5 6 1 9 9 9标准测试 ，采用万能实验机 ( A G 一 2 0 0 0 A型 ，日 本岛津 ) ，压头下降速率为 5 m m mi n 。 层 问剪切强度按 G B T 3 3 5 6 -1 9 8 2标准测试 ，采 用万能实验机 ，压头下降速率为 2 m m mi n 。 用扫描 电子显微镜( S E M，K Y K Y 2 8 0 0 B型，北 京 中科科仪技术发展有 限责任公 司)对样 条断面进 行观察并拍照。 2 结 果与讨 论 2 1 树脂溶液浓度对溶液黏 度及 复合材料纤维体积 分数 的 影 响 鑫 撩 图 1 P P B E S的含量对树脂溶液 黏度的影响 毒 鑫 菩 U 图2 P P B E S溶液浓度和黏度对 C F P P B E S复合材料 纤维体积分数 的影 响 图 1为 P P B E S溶液 黏度 随树脂溶 液黏度变化 的 趋势图。如 图所示 ，P P B E S溶液 黏度 随树脂 溶液浓 度 的增大呈现出指数级增大的趋势。这是 由于聚合物 大分子 的流动是分子链重心沿流动方 向发生位移和链 间相互滑移的结果 。随着溶液 中 P P B E S含量 的增加 ， 单位体积内分子数 目和链段数 目增 多，使分子问相互 作用变大 ，分子链间的缠结点也增多 ，因而引起流动 单元变大 ，从而使运动阻力增大，在宏观上表现为聚 合物溶液黏度的增加 。 C F P P B E S复合材料纤维体积分数随聚合物溶液 浓度及黏度的变化趋势如图 2所示。结果表明，C F P P B E S复合材料的纤维体积含量随 P P B E S溶液浓度 和黏度增大而降低 。其中纤维体积分数与 P P B E S溶 液黏度有较好的线性关 系。因此 ，C F P P B E S复合材 料纤维体 积分数可 以通过改变 P P B E S溶液 的浓度 ， 从而改变溶液黏度来调节。 2 2 纤维体积分数对复合材料力学性能的影响 矗 妻 譬 囊 噢 b 图3 纤维体积含量对 C F P P B E S复合材料力学性能的影响 图 3为纤维体积含量对 C F P P B E S复合材料力学 性能的影 响趋势 。由图 3可见 ，C F P P B E S复合材料 的弯 曲强度在纤维体积分数在 4 7 6 0 区间内呈 现出线性增大的趋势 ，符合 “ 混合定律” ，但 当纤维 体积含量 大于 6 0 时，弯曲强度下降 ，相对于 “ 混 合定律”产生负背离。这是 因为纤维含量过高使得 树脂基体含量过低 ，在复合材料内部产生贫胶缺 陷， 导致弯曲强度下降。C F P P B E S复合材料的弯曲模量 一 纤 维 体 积 含 量 曲 线 很 好 地 符 合 了 “ 混 合 定 律” l 3 I 4 J ，呈现线性增大的趋势 ，这主要 因为复合材 料 的弯曲模量与碳纤维的模量及碳纤维的体积分数密 切相关 。碳纤维 的模量较 P P B E S树脂基体模量 大 2 个数量级 ，碳纤维的体积分数对 C F P P B E S复合材料 的弯曲模量起决定性作用。C F P P B E S复合材料 的层 间剪切强度随碳纤维体积分数 的增加而增大 ，但增大 的趋势逐渐减缓 ，当碳纤维体积分数从 6 0 增 加到 6 3 时 ，层间剪切强度仅增大 0 3 MP a ，基本保持不 变 。这主要与碳纤维的浸润情况有关。 图4为溶液黏度对 C F P P B E S复合材料层间剪切 强度的影响趋势。由图 4可见 ，在低黏度区间 ( 0 8 3 5 P a S ) ，随着溶液黏度 的增大 ，C F P P B E S复 合材料层间剪切强度的下降趋势很小；但 当黏度继续 增大 ，C F P P B E S复合材料层间剪切强度 的下降趋势 明显加快。这说明低溶液黏度有利于碳纤维 的浸润， 从而增大复合材料的界面粘接强度。综合考虑纤维体 积分数对 C F P P B E S复合材料各项力学性能 的影响 ， C F P P B E S复合材料的纤维体积分数 6 0 为最佳。 砖 塞 翼 藿 噬 图 4 溶液黏度对 C F P P B E S复合材料层问剪切强度的影响 2 3 复合材料受力破坏模式 图5 C F P P B E S复合材料破坏表面 S E M照片 (X 1 0 0 0 ) 图 5为 C F P P B E S复合材料破 坏表面的 S E M 照 片。由图可见 ，C F P P B E S复合材料的破坏表面只出 现极少量裸露纤维，纤维表面覆盖着大量树脂 ，树脂 呈现波浪状 。这说明 C F P P B E S复合材料具有高的界 面粘接力 ，复合材料在受力时 ，树脂基体可以有效地 将应力传递给碳纤维 ，使更多碳纤维承载应力 ，在遭 受破坏时，树脂发生柔性变形 ，破坏主要发生在树脂 层。C F P P B E S复合材料的受力破坏模式 以树脂基体 内部破坏模式为主。 3 结论 1 )P P B E S溶液黏度 随树脂溶液浓度的增大呈现 出指数级增大的趋势 ，C F P P B E S复合材料纤维体积 含量随 P P B E S溶液浓度和黏度增大而降低 。 2 )C F P P B E S复合材料 弯曲强度随纤维体积 含 量的增加呈现先增大后减小的趋势 ，弯曲模量和层间 剪切强度随纤维体 积含量 的增加呈现逐渐增大 的趋 势。综合考虑各项力学性能 ，C F P P B E S复合材料 的 纤维体积含量为 6 0 为最佳 。 3 )C F P P B E S复合材料受力破坏模式以树 脂基 体内部破坏为主 。 参考文献 1 娄葵 阳，张风翻航空 T业用热 塑性树脂 基复 合材料 研 究进展 J 材料工程 ，1 9 9 6 ( 6 ) ：1 51 7 2 Y O O N N S ，K O N O K，T A K A G I S H I T T h e a p p l i c a t i o n o f t h e r m o p l a s t i c m a t r i x c o mp o s i t e s t o c h e m i c a l i n d u s t r y J J Ap p l Po l y m S c i ， 1 99 5，5 5：3 513 5 6 3 T H O MA S O N J L S t r u c t u r e p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p s i n g l a s s r e i n f o r c e d po l y a mi d e， pa r t 1： Th e e f f e c t s o