碳纤维增强热塑性树脂的性能.doc

碳纤维增强热塑性树脂i瓣能 杨树根张良年 (上海新兴碳索有限公司上海200241)娃摘要：本文论述了碳纤维增强热塑性树脂CCFP,TP)复合材料的力学、热学、电学、摩擦 等性能，讨论了影响CFRTP力学性能的各种因素并对制作过程中如何提高CFRTP的性能 提出一些思路。1引言碳纤维增强树脂可分为碳纤维增强热固性树脂(CFRP)和碳纤维增强热塑性树脂(CFRTP) 二种。相对于CFRP来说，CFRTP有如下优点：l、韧性高-抗冲击性能好2、成型加工周 期短，成本低，易于大量生产：3、机加工及维修方便；4、抗蠕变性能好；5、具有优良的抗 辐射性能；6、制品不分层；7、半成品储存期长。由于它的独特优点，受到各界重视，现已广 泛应用在纺织、机械、医疗、运动器材、化工、电子等工业部门，。并取得较好的效果。发达国家对纤维增强热塑性树腊的发展非常重视，在6070以每年25的速度递增， 进入90年代仍保持10的发展速度。起初一般用玻纤增强，80年代中开始应用碳纤维增强， 使纤维增强熟塑性树脂的性能达到新的水平。在70年代中期，我国也采用玻纤增强热塑性树脂，制成泵壳、阀门、电机风叶片、电视 机部件等。近年来，随着国内碳纤维产量的扩大，碳纤维售价相对下降，礴嘲维增强热塑性树 腊应用也逐渐增加。2碳纤维增强热塑性树脂性能r复合材料的性能由组成它的增强材料及基体二部分决定i这二种材料的有机搭配，可充分 发挥组成材料的各自优点，克服缺点，形成一种新的性能上互补的复台材料。CFRTP是以碳 纤维作增强材料，热塑性树腊作基体的复合材料。本文介绍的是短碳纤维增强热塑性树脂。基 体可选材料较多，一一般有尼龙(BA)、ABS、聚甲醛(POM)、聚碳酸脂(PC)、聚醚醚酮(PEEK)、 聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)等。21 cFR限的物理性能及力学性能 经cF增强后的热塑性树脂，其性能大大超过基体材料本身的性能(见表I)。 从表中可知，CF增强后的复合材料其性能大大提高以cF增强尼龙66为例，抗拉、抗弯强度增加了三倍，模量增加了78倍，随之材料的比强度、比模量也大幅度提高。22 CFRTP的热学性能 碳纤维具有优异的热学性能，它热导高，熟膨胀小，耐高温。用碳纤维增强热塑性树脂后，175表l碳纤维增强热塑性树脂的物理及力学性能CF增强尼龙66 CF增强聚碳酸脂CF增强聚苯撑硫西p趔堂 30CF30CF30CF密度，gcrn312S(114) 1 33(120) 145(134)吸水率， 05(15) 004(O15) 004(020) 抗拉强度，MPa(23C)24l(81) 168(66)186(74) 伸长率， 34(10) 27(90) 23(34) 抗弯强度，MPa(23C) 35l(103)248(93) 234(138) 抗弯模量，GPa(23。C) 20(28) 132(2T3) 152(41) 冲击强度(无缺口)，2M 70(48) 68(69) 59(16) 注：表中括号内数据为未增强的基体性能。表2珏纤维增强热塑眭树船的热性能i尼龙66 CF增强聚碳酸脂CF增强聚苯撑硫CF30 30CF L66) 155(129) 260(】37)：324)054(o19) 075(029) F1) 2(675)注：表中括号内数据为未增强基体tE能l洒N型 表3碳纤维增强热塑性树脂的电性能聚碳酸脂 尼龙66 ABS聚缩醛30CF 30CF30CF 30CFl电阻率，Qcm 18(1015、 3(1015) 36(1015) 7(1014)注：表中括号内数据为未增强的基体性能。制成的复合材料，其热学性能也大大改善(见表2)。以cF增强尼跫5为例，热变形温度高 于基体热变形温度4倍，热导提高4倍，热膨胀系数减小4倍，性能的改善是显著的。由于CFRTP 热学性能的提高，使塑料的应用范B1更加广泛。23 CFRTP的电性能及耐辐射性能碳纤维是导电材料，且耐辐射性能优良，用碳纤维增强热塑性树脂后，使复合材料电性 能、耐辐射性大大提高(见表3)。在未加入碳纤维之前，几乎所有热塑性树腊均为绝缘体，加入碳纤维后的复合材料变成导 体，电阻率的高低随碳纤维的加入量而变，碳纤维岔量越高，复合材料的电阻率越低。当CFRTP 变为导体时，它具有抗静电功能，克服了一般塑料带静电的缺点，使其在许多领域可以扩大应 用，如印刷、化工、造纸、电子器材等。CFRTP材料具有优良的抗辐射性能，经期辐照，强度下降程度比纯树脂材料小得多。它对x光的吸收率很低，透x光世萄，能阻I中f射线通过，它的这种性能在医疗器械上有 广泛应用。24 CFRTP的摩擦性熊176碳纤维是一种耐摩材料，以它增强热塑睦树艏后，其复台材料的摩撩洼能有明显改善，见 表4。碳纤维增强后，复合材料的摩擦系数变小，PV极限渣增加了810倍，使复合材料能 承受更大的摩擦负荷。表4碳纤维增强热塑性树脂摩擦性能I试卜刈迥尼龙66 聚碳酸脂 聚苯撑硫30CF30CF 30CFI静摩擦系数016(020) 018(031) 0。23(030)l动摩擦系数O20(028)017(O 38) O20(024)Pv极限100ftmin27000(2500)20600(3000)L lbina ftmin)注：表中括号内数据为未增强的基俸陛能。3影响纤维增强热塑性树脂性能的因素影响纤维增强热塑性树脂性能的因岽很多，如：增强纤维的自身强度：增强纤维在复合材 料的含量；增强纤fflNP-度；增强纤维与树脂的结合力：树脂的性能等。公式(t)为纤维增 强树日R拉伸强度的表示式：To=W1一L(2L)Tf+vmL(1) 式中Lc=DTd(2A) vf：纤维体积含量；vm：树脂体积含量；Tf：纤维拉伸强度：To：树脂拉申强度；D：纤维直径：L：纤维长度：Lr：纤维临界长度：A：表示树脂与纤维的卡占结特性系数。 公式(1)中的内容已包含了前面所述的几种因素。F面分别陈述各因素对FRTP材料影响的程度。31纤维含量对复合材料强度的影响复合材料中增强纤维的含量与材料强度的关系较明显，一般纤维含量越多，则强度也越 高，但过多的纤维含量使制作发生困难，而且当纤维含量超过一定量时，会使复合材料相互结菌N型表5碳纤维含量对复合材料强度影响尼龙66 尼龙66 尼龙6630CF40CF20CF密度，g，cm3 123 128 134 抗拉强度，MPa(23) 19 241 276 伸长率， 34 34 34 抗弯强度，MPa(23C) 289 35 1 413 抗弯模量，MPa 165 20234 剪切强度，lVlPa82 96 冲击强度，JM 59 85热变形温度， 257 258260177表6玻纤增强与碳纤增强热塑性树脂性能对比汰 吸水宰 密度 抗拉强 伸长率 抗弯强 抗弯模 冲击强 热变形 热导 摩擦度M旷a 度，MPa 量GPa 温度gcm3度JMWm 系数23 23 2330碳纤增强聚苯004 I 45 186 2-323,l15259 260075O23撑硫30玻纤增强聚苯 004 l 56 138 23 20() 1l 75 260 04 016撑硫表7不同碳纤维增强尼龙66的性能对比密度抗拉强度 伸长 抗弯强度 抗弯模量 热委疆；2是届gem3a胁GPa”尼龙66 30592F1281802 2柏 123 255CF抗拉强度为2000MPa尼龙66 3&dCF 128 201 4 2s5 145 257CF抗拉强度为3000 MPa尼龙66 30CF1282474 340 17257CF抗拉强度为3700MPa合变差，增强效果明显下降，因此一J般纤维增强材料纤维含量在2040。表5以尼龙66 为例，列出不同含量的碳纤维的复合材料，其性能的差别。32增强纤维的强度对复台材料性能的影响众所周知玻纤也用来增强热塑性树腊，但由于玻纤的模量和强度比碳纤维差，因此增强 效果不如碳纤好。表6对它们的性能作了对比。从表6可知，用碳纤维增强热塑性树脂，其性能优于玻纤增强材料，特别是模量的增加，般为GFKIP的1315倍，比强度，比模量的值为GFRTP的132倍，另外CFRTP复合 材料制品尺寸稳定，热膨胀小，抗静电、耐腐蚀、耐磨、耐辐射，这些性能GFRTP是不能比 拟的。但玻纤价格较低，增强后GFRTP的性能也能满足一般用户要求，因此目前纤维增强热塑性树月目的领域中，玻纤增强仍占主导地位，但随着cF产量不断提高，价格下降，应用CFRTP的领域会越来越广。 同样用碳纤维增强树脂，如果碳纤的强度差别大，其复合材料强度也有明显差异。本公司专做了一些实验，用不同强度的碳纤维来增强尼龙66，复合材料中纤维含量均为30，其 结果见表7。33复合材料中增强纤维的长度对复台材料性能影响复合材料中增强纤维的长度对复台材料性能也起着重要作用。增强纤维的长短与制造复合 材料的工艺设备有关。般短纤维增强热塑性树脂的方法有二种：一种是直接用短纤维与塑料 混台，然后进入单螺杆挤出机，制成03中5rain棒状，再切短造粒。另一种是用长纤维进入 双螺杆挤出机，纤维在双螺杆挤出机中与塑料混合并切短，制成中3o,5mm棒状，再切短造 粒。前者在玻纤增强材料中用得很多，但塑料与纤维混捏不充分，后者混捏很均匀，但混捏后17l纤维长度比前一方法短。对碳纤维而言都采用第二种方法，因为短碳纤维堆积密度qR,J,，如直 接用短碳纤维与树脂混合，要混均匀非常困难。有资料介绍，增强纤维的长径比为100200为宜，碳纤维直径约78 u m，按此推算， 增强纤维的长度应为O716ram，经测量目前市场上供应的增强塑料，纤维长度约在O4一 O8mm。因此在制作复合材料的工艺和设备上还需进一步改进提高。34纤维的界面对复合材料性能的影晌纤维与基体结合好纤维的增强效果就好。如果纤维与基体结合不好，在受力过程中，纤 维拨出，强度就会变小。多数热塑性树脂表面呈惰性，能参加表面反应的端基很少，这使碳纤 维与树腊的结合更困难。因此，碳纤维表面一定要经过处理，经表面处理后的碳纤维表面生成 了coH，c和cOH等基团，这些基团的存在，增加了碳纤维表面的活性，改善了与 基本的结合程度。3，5基体材料的选择基体材料的选择主要根据不同的使用条件，来jL确、合理、经济地选择各种基体。例如 有些零部件要求使用温度范同很宽，可用PEEK)聚醚醚酮这种材料佧基体，其性能见表8。表8碳纤维增强尼龙66和聚醚醚酮性能对比、材料性能抗拉渔度MPa552 100140PA66 20 246108 75PEEK 30 275227165 129有些零部件要求耐磨，司选尼龙、聚甲醛等，有些要求耐腐蚀，可选用PVC、聚苯硫醚、 氯化聚醚等。市场上可供塑料基体很多，各种塑料价格差异很大，因此选材时，要考虑合理