碳纤维增强尼龙66的研究.doc

一98全国高分子材料工程应用研讨会论文集183碳纤维增强尼龙66的研究李丽、王海庆、孙玉璞(山东工业大学材料科学与工学院济南250061)捕要 本文介绍丁碳纤维增强尼龙66的力学性质研究了碳纤维的长度分布对复合材料力学性质的影响比较了CFRPA66、PA66的磨损性能 关键词：碳纤维PA66复合材料的力学性质磨损性1引言 碳纤维(CF)是由元素C构成的一类有机纤维，由于它本身具有高比强度、高模量、耐高温、 耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异的性能用它增强树脂 基体可畦予其复合材料以上性能。目前几乎没有什么材料具有这么多的特性因此，碳纤维及其复合材料近年来发展十分迅速 。用碳纤维增强尼龙(CFRPA)的研究、开发报道已有很多并且获得了广泛的应用。作者也对聚丙烯睛基碳纤维增强尼龙进行了研究，本文介绍了碳纤 维增强尼龙66的力学性质，并在已有界面层的基础上，研究了碳纤维的长度分布对复合材料 力学性质的影响。用MM200试验机测试了CFRPA66和PA66的磨损量、摩擦系数随时间的 变化。2实验部分21原料的选择211碳纤维我们采用高强型CF(12K)拉伸强度为2500MPa。CF由于表面惰性较大，树脂 对它的浸润性能很差用前需表面活化处理，使层间剪切强度达到75MPa以上。212 PA66、PA610采用国产尼龙，性能见表2。22实验设备 双螺杆挤出机：南京橡塑机械厂SH卜30 注塑机：德国WP公司60型 MM200型磨损实验机：济南材料试验机厂23试样制备工艺231试样制备流程H双螺杆造粒H烘干H注射成型H性能测试Jl碳纤维H表面处理卜J232试样制备条件见表l3结果与讨论184 98全国高分子材料工程应用研讨会论文集31 CF砌慷和PA的性能对比，见表2表1CFRPA的成型条件螺杆转速挤出温度() 注射温度() 拄射压力!坠鎏!匡!垦j垦!匡 型曼鎏堕堕墨望鏖!堡!PA610+CF 200 200210 230250 220230 220240 240260 6090 100120P&66+CF 170 230260 240270 250290 250280 240290 7090 100150从表2可以看出PA用CF增强后，其力学性质的提高是非常明显的其中拉伸强度、弯 曲强度、压缩强度成倍的增加，拉伸模量的提高更为明显。PA66同PA61O相比其力学性质 的提高更为显著，除冲击强度略降低外其中弯曲强度提高近2倍拉伸强度提高I 4倍。除 PA66中碳纤维含量稍多以外主要有以下原因：一是PA66主链中含极性酰胺(-NHCO)基 团的比例比PA610多，碳纤维经表面处理后表面有一些极性基团(OH)、(COO-)，所以 PA66比PA610的界面结合要好：二是PA66造粒时选择长纤维加料，PA610则为短纤维加料 (35cm)。长纤维加料比短纤维加料碳纤维的长度分布要长，见图l、2。32碳纤维长度及增强效果 我们知道复合材料的力学性能取决于：基体树脂和增强纤维本身性质：纤维和树脂之间界面的结合程度：复合材料的成型工艺；增强纤维的长度及分散效果。在前三项确定的前提下增强纤维的长度和分散效果直接影响纤维的力学性质。 纤维的增强作用可用增强系数K来表达K J即ac=Kofvf+a。v。 研、Vf、a。、v。分别代表纤维、树脂的强度和体积分数，在or、vf、O。、v。定的前提下复合材料韵强度oc取决于增强系数K。K值的大小同纤维的长度有关纤维越 长， K值越大ac越大。因此我们在保证树脂和纤维均匀塑化的前提下，尽量使碳纤维有 较大的长径比，以最大限度地发挥碳纤维的增强作用。碳纤维要取得较好的增强效果，必须 使CF的长度Ltl缶界纤维长度Lc，即能够达到最大纤维应力(即纤维的强度极限0m)的最 小长度”I。当纤维的长度LLc时，无论对复合材料施加多大的应力，纤维的应力都不会达到 am亦既纤维不能断裂，这就不会充分发挥纤维的承载能力，增强效果不佳。经估算Lc为98全国高分子材料工程应用研讨会论文集1850 1502mm。针对碳纤维不耐剪切的特点我们在原来混炼玻璃纤维螺杆的基础上，适当地减少剪切 元件，增加塑化元件、捏炼元件找到撮合适的螺杆组合使碳纤维的长度分布在0 2O 4mm 最大长度可达0 5mm见图l、2。通过电镜照片我们可以看到，碳纤维在PA66中长纤维 的分布比在PA610中多。这也是碳纤维在PA66中增强效果较好的原因之一。当然要得到各 向同性的材料CF的长度并不是越长越好，它有一个最佳的长度范围，这一步的工作还需进 一步研究。用我们组合的螺杆制成的CFRPA66的力学性质同国内的一些厂家相比，拉伸强度、 弯曲强度都有所提高。33摩擦磨损试验 本文的摩擦磨损试验是在MM200型磨损试验机上(室温20)下进行。磨轮半径R=20mm转速200rrain，材料为高速钢，硬度835HV，载荷P=100N。每半小时测量试样的重量每块试样测五次，计算其磨损量摩擦总实验时间为150rain，图3给出的是PA66、CFRPA66的磨损，量随时间的变画图。每十分钟记录一次摩擦力矩M，根据公式f=羔，算出摩擦系数，图4rK给出的是试样前60rain的摩擦系数随时间的变化图。 从图3、4可以看出CFRPA66的磨损量、摩擦系数同PA66相比部明显下降这表明碳纤维增强PA66后，其耐磨性提高，摩擦系数降低。耐磨性好的材料要求有高的弹性模量、纤维 基体良好的界面强度和低的摩擦系数”i。由于CFRPA有较高的弹性模量和较低的摩擦系数， 在纤维基体界面强度定的条件下CFRPA的耐磨性提高。CF使材料的磨擦系数下降可以 由磨擦的分子机械理论来解释pj。在塑性接触的条件下金属和大多数高聚物的磨擦中，分子r分量是主要的，它大致表示为：t=+ctk式中六为磨擦系数的分于分量t为剪切强度，曲为屈服强度，c、p为常数。cF加入 后，屈服强度8t提高T由树脂膜或树脂与碳粉所决定，由于碳层的润滑性，因而t不变或变化 很小，从而使f下降。l茔|1 CFRPA66金相照片200图2 PA66金相照片200186 98垒国趋i分子材料工程应用研讨会论文集勺l51础 骆0 妇0音蛹时闻(min)宙娟时闸抽in) 圈3磨损量随时间的变化曲线圈4摩擦系数随时间的变化曲线4结 论(1) 碳纤维增强PA66、PA610后，CFEPA的拉伸强度、弯曲强度、压缩强度成倍的增加， PA66同PA610相比其力学性质的提高更为显著除冲击强度略降低外其中弯曲强度 提高近2倍，拉伸强度提高l 4倍。(2) 通过合适的螺杆组合可以使碳纤维在树脂中长纤维的比例增大，碳纤维的长度增加， 使CFRPA的力学性质有所提高。(3) 挤出机造粒时长纤维加料比短纤维加料碳纤维的长度分布要长。(4) CFRPA同PA相比的耐磨性提高，摩擦系数下降。参考文献 f1I孙玉璞、王海庆、车丽鹾纤维增强尼龙复合材料的研制塑￥4科技，1996113：15 f2l贺福、王茂章著磺纤维及其复合材辩北京：科学出出版社1995 196f3 J乔生儒复合材辩细观力学性能西西北工业大学出版社，1997 54f4I张风英纤维增强象台物复台材料摩擦磨损机堙纤维复合材抖19941 i215l王一瞄等谭磨擦磨损计算原理北京机械工业出舨社1982、138THE STUDIESoFCARBoN FIBERREINFoRCED PA66Li Li Wang Haiqing Sun Yupu(College ofMaterials Science and EngofShangdong University ofTechnology，Jinan 250061)Abstract：Mechanical resisLancc of carbonfibers代Inf0心cd nylonis ps曲kdinthis paper：in effect ofcarbon nberslength distribution oll mechani