碳纤维增强复合材料

碳纤维增强复合材料liuq1217@163.com碳纤维增强尼龙复合材料摘要：综述了碳纤维增强尼龙的发展过程，分别介绍了连续纤维和三维编织碳纤维增强尼龙的力学性能以及应用。关键词：连续碳纤维、三维编织碳纤维、尼龙、力学性能、复合材料liuq1217@163.com尼龙材料

尼龙作为一种极为重要的热塑性工程塑料，自上世纪5O年代美国杜邦公司工业化生产以来，已有五十年的发展历史，目前位居工程塑料之首。6O年代后发展起来的铸型尼龙(MCPA)合成技术，又将尼龙的使用推上了一个新的台阶。

与普通尼龙相比，铸型尼龙具有聚合温度低、工艺简单、结晶度高、分子量大、机械强度高等特点，目前其制品已广泛应用于汽车、机械、石油化工、纺织、交通、建筑、冶金等行业，且已收到明显的社会效益和经济效益。一、前言：liuq1217@163.com尼龙材料

尼龙本身是性能优异的工程塑料，但吸湿性大，制品尺寸稳定性差．强度与硬度也远远不如金属．

为了克服这些缺点，早在70年代以前．人们就采用碳纤维或其它品种的纤维进行增强以改善其性能．liuq1217@163.com碳纤维增强尼龙复合材料

用碳纤维增强尼龙材料近年来发展很快，因为尼龙和碳纤维都是工程塑料领域性能优异的材料，其复台材料综台体现了二者的优越性，如强度与刚性比未增强的尼龙高很多，高温蠕变小，热稳定性显著提高了，尺寸精度好，耐磨。阻尼性优良，与玻纤增强相比有更好的性能。

因而碳纤维增强尼龙(CF／PA)复合材料近年来发展很快。目前国内外CF／PA复合材料主要是以短切或长碳纤维增强PA6、PA66等基体。liuq1217@163.com碳纤维增强尼龙复合材料

例如美国Wilson—Fiberfil公司使用40％碳纤维增强PA一66，其弯曲强度可达2758MPa，拉伸强度可达到317．2MPa，而纯尼龙66树脂的拉伸强度只有86MPa。CFRPA66已广泛应用于汽车工业、体育用品、纺织机械、航空航天材料等领域。liuq1217@163.com连续碳纤维增强尼龙复合材料力学实验

试验所用材料为自制MC尼龙、连续碳纤维增强MC尼龙(简称CCF／MCPA)，碳纤维的体积分数为l2％～24％。碳纤维为T300高强度聚丙烯腈基碳纤维，其密度为1．76g／cm3，单纤直径为6-8微米，由日本进口，将碳纤维进行450℃／h空气氧化处理。

摩擦磨损试验在MM一200型摩擦磨损试验机上进行，试样尺寸为25mm×7mm×6mm，表面经600#砂纸打磨。对磨偶件为45#钢试环，热处理硬度为40～45HRC，直径40mm，厚度10mm，表面粗糙度Ra=0.32-0.63微米。用丙酮清洗试样和试环表面。滑动速度为0．42m／s。试验载荷分别为50N、150N、250N，滑动时间为60min。实验内容：liuq1217@163.com连续碳纤维增强尼龙复合材料力学实验

通过记录摩擦力矩T(取记录平均值)及环的半径r和载荷P，利用公式μ=T／(rP)计算得到摩擦系数。通过测量磨痕的宽度计算出磨损体积，再计算出单位体积和单位载荷下的磨损体积损失，并以此评价磨损率w。

采用Neophot光学显微镜观察和分析偶件试环磨损表面形貌，并进而分析材料转移情况及磨损机理；采用XL30ESEM型扫描电子显微镜观察磨痕及磨屑的形貌。liuq1217@163.com连续碳纤维增强尼龙复合材料力学实验表1为不同碳纤维体积分数CCF／MCPA的力学性能数据，由表可知，复合材料的弯曲强度、弯曲弹性模量、冲击强度和平面剪切强度随碳纤维含量的增加而提高，横向剪切强度略有下降。liuq1217@163.com连续碳纤维增强尼龙复合材料力学实验

根据复合材料混合定律，随着碳纤维含量的增加，复合材料的强度增大，材料宏观表现为强度增加。

CCF／MCPA的剪切强度由基体与纤维共同决定，且纤维的强度远高于基体，此时，其平面剪切强度主要受纤维控制，基体主要传递载荷的作用，所以，纤维体积含量越高，CCF/MCPA的平面剪切强度越大，与复合材料的混合定律一致。liuq1217@163.com连续碳纤维增强尼龙复合材料力学实验

在低载荷时，由于基体MC尼龙已处于粘流态转变阶段，摩擦系数高，粘着转移严重。而在更高载荷时，在摩擦温度的作用下，材料的表层粘度下降，起到润滑剂的作用，摩擦系数小，磨损率也降低。摩擦系数与载荷的关系磨损率与载荷的关系liuq1217@163.com连续碳纤维增强尼龙复合材料力学实验图2复合材料磨损表面及磨削形貌的SEM照片在载荷为50N和250N时，磨损表面均裸露出大量纤维，一方面起承载作用，另一方面可阻止偶件表面微凸体对基体的切削作用，降低磨损率。250N时，纤维因磨损逐渐变细，由于没有基体的支撑和保护，纤维最终断裂脱落。liuq1217@163.com连续碳纤维增强尼龙复合材料力学实验图3偶件钢试环的对磨表面形貌照片当载荷为50N时，对磨环表面的转移膜呈分离的、不连续的长条块状；当载荷为250N时，对磨环表面形成了比较均匀而连续的转移膜。liuq1217@163.com连续碳纤维增强尼龙复合材料力学实验

1)CCF／MCPA复合材料的弯曲强度、弯曲弹性模量、冲击强度和平面剪切强度随碳纤维含量的增加而提高。结论：

2)CCF／MCPA复合材料的摩擦系数和磨损量随着载荷的增加而降低。

3)CCF／MCPA复合材料其磨损机制主要是磨粒磨损和粘着磨损。liuq1217@163.com三维编织碳纤维增强尼龙复合材料

短碳纤维复合材料加工性好，长碳纤维复合材料则具有较好的力学性能。而三维编织复合材料具有整体性和力学结构合理两大特点。三维编织复合材料作为一种结构与功能完美结合的先进纺织复合材料越来越受到人们的重视。

由于其异型件一次编织成型，纤维贯穿材料的三个方向形成三维整体网状结构，所以从根本上解决了传统复合材料沿厚度方向的刚度和强度性能较差，面内剪切和层间剪切强度低，易分层且冲击韧性和损伤容限低等缺点。liuq1217@163.com三维柏编织途碳纤盐维增棉强尼兄龙复坝合材吨料美国A．B．Ma边ea竖nd董er等通惑过实纷验证盆明了尽三维犹编织边物能屋够大辱幅度峡提高柿复合潜材料战的强筹度和金刚度管这一腔事实似。正克是基惯于这扎些优写点，C3D／PA复合弓材料梨必将遣拥有如广阔咬的发崇展前派景。li发uq米12刷17远@1桑63俯.c旧omC3D／PA复合望材料化的合论成工蛛艺传统蜜热塑事性复糟合材土料合慨成方养法有陶两种税，预先虽浸渍穷法和忘后浸强渍法。这两楼种方服法各气有利嘴弊，预先龟浸渍虹法在加葬工前互即已耗达到筹成品塔形状洒，其屈缺点勿是不易敞形成顿复杂弯形状笑的制困品且片浸渍迹液的坟挥发海和回图收费蛛用高妇，容从易造特成环巾境污沸染；后浸适渍法采用拐纤维甩混编钓或将使粉状贤基体辱材料暮与增政强纤苹维共滴混热寻压，舱较之起预先岩浸渍袋法容易冰形成迁形状扛复杂险的制步品，编但成见型过就程中射极易刚产生损内应脸力。1、后股浸渍意法与迈三维烘整体哄编织时技术蔽：li想uq齐12材17远@1既63赔.c健omC3D／PA复合侦材料时的合签成工拒艺后浸钱渍法雪将纤纲维状跳热塑丙性聚门合物影与增妻强纤黑维共见混编摇织或术粉状芝热塑稍性聚伶合物伏与增齿强纤胀维混透合后疏，加漠热至粮聚合祥物熔赴点以酒上的摧温度界，保贸压成碌型，彼其实灭质亦幸是以聚偶合物获熔体已浸渍章纤维。We晋n—Sh维yo掌ngKu餐o采用足后浸膀渍及呈两步壤编织雅法制富得C3D／PA复合增材料逼，并歌对其暴力学馋性能豆和破史坏形永式作交了研统究，么认为产控制腔合适孤的熔贸融温残度和屈保压揉时间否对其冬性能幻玉的影盲响十列分明铅显。Mi右ts尚ug诊uTo膨do等亦教以整悼体编轻织技搭术制芳备并改研究做了C3D增强PA及改猛性尼型龙(摆PA永)复合籍材料邪拉伸寒破坏喂行为团。li规uq椅12雀17全@1笼63声.c敏omC3D／PA复合兰材料谦的合贺成工疏艺天津阿工业宴大学复合齿材料槐研究屈所研亲究的暴“三绣维异捡型整寒体编轿织工爽艺的环研究坛和三仿维编苹织设递备及想织物毕的研仁制”母项目旗，已外获国真家科辫技进即步二币等奖践。吴晓优青等的肚研究债表明界，采碧用三决维整吩体编膨织方初法成涌形的摄热塑截性复饼合材锋料的竹拉伸歇强度筒比国寒外采沙用注族射成场型法喷热塑积性复口合材敞料的较拉伸踪蝶强度朋高1.志5倍。享这说苹明三材维整找体编橡织技脾术是桶制备C3D／PA复合象材料证的一忙种可狱行方枯法。li延uq援12地17英@1软63兼.c牙omC3D／PA复合卷材料僵的合错成工茫艺但目鹿前，摔国内皱尚未抗有以韵此技浙术进墓行C3D／PA复合直材料京制备丢的报兴道。股由于春三维恰整体役编织主所制忘得的冷材料候是预辫制件岁而不仁是最返终产文品，症要形走成复研合材枝料还版必需贵注入崇基体方复合料固化堂，工卖艺较揉为复省杂。2、液叉态原猫位缩摇聚与蚂静态忌浇铸浆法：树脂铺传递烂模塑(R刘TM蛋)工艺是三杠维编拳织复读合材习料最垄适宜岸的制舍备技急术，踪蝶然而RT喇M对基酬体的巧要求童苛刻(如粘冒度，孩固化炭时间深等)，使馒得三惭维编被织复辉合材资料的角基体毁仅限胃于一徒些低叮粘度投的热妄固性吵聚合景物，盛严重们制约营了三快维编汽织复吵合材卧料的警快速滔发展盲。li岔uq摄12设17扎@1跟63猛.c讨omC3D／PA复合伍材料桐的合押成工等艺PA乓6熔体筹的粘泄度较顿高，哭流动燃性差，因零此与三骡维编然织体厉浸润寻不好。但虹其单碑体具辱有较风低粘唉度，狡理论婆上我覆们可川以采唯用液盆态原腥位缩额聚法仿合成C3D／PA复合振材料集。所谓液态妇原位差缩聚，是鬼指基催体材相料在蹦小分踏子状俘态下粱与增近强材伟料充景分浸初润，缠然后宫树脂魔基体梅在增枕强体薯表面经聚合访。进妥行了施这方虑面的烧一些换研究步后，俱所制科得的C3D／PA复合焦材料稿的弯遵曲强卸度、牵模量作与人涂体皮啊质骨深相当禽。li悦uq畅12圾17袄@1体63遮.c迫omC3D／PA复合肠材料青的合踢成工译艺静态张浇铸渠法操作净方便联、工锁艺简录单，芝在制互备小讯型件盾时较袍为方椒便，术但对裁于大艺型件穿或形唯状复罚杂件袍则不胖太适留合。这是兴由于藏单体摊活性睛料对帽温度枣、水率分均遣很敏伏感，厘活性殖料对凉纤维务编织醒体的宿浸润镜需要黄一定让时间行。如长乐时间绳保持佛低温驳，则狱活性冬料极箭易失涉效；晃如提麦高浇恋铸温渡度，殃活性甩料粘闸度迅猪速上胆升，肯不易届充分牛浸润克纤维映。li钥uq易12倦17喝@1席63斑.c狮omC3D／PA复合未材料奔的合晒成工控艺反应录注射绘成型(R略IM高)技术翠，首勿先被Ba盼ye霞r用以尤合成孔聚氨通酯。还随后迅，又面提出参尼龙RI桌M合成靠体系重以改救进聚惧氨酯暂的缺锹点，机械图强度嫁不足杏、耐忽热性狮及流害动性跌差等。因此功，国庄外研宫究人羽员提犹出了修更有惕效的董制备C3D／PA复合扶材料龄的方灯法，火即反主应注我射成梨型技访术。3、反舒应注大射成望型技垃术19宁81年美国Mo窃ns炊an疲do公司发表越了以袋汽车兴外身勇件为暖目标编的尼欲龙反通应注脱射成韵形体惕系。li奴uq搜12沿17脊@1涌63欠.c引omC3D／PA复合舟材料日的合杜成工坚艺此后索不久日本Su淋mi或to爪mo缩慧R窑ub镜be员r公司租的Os棚ak撕a成功管地通沟过RI术M技术站合成歼出长跃碳纤乳维增喇强尼婶龙复信合材财料。江通过军向预陆先铺贞好长肾碳纤衬维的视模具窄中注习入低害粘度痛的熔驳融己肚内酰骄胺单鬼体，过使得皇己内堪酰胺著单体哑在模商具中爬于纤示维表捏面聚戒合成白尼龙疲大分绿子，找有效申地克奥服了合热塑惠性材身料熔盘体粘考度高闭，不裤易流蛮动这哄一障涉碍。RI明M法，鸭利用朴液态眯原位咱聚合枕原理坑，使途尼龙堡基体粘与碳匀纤维泰很好维地浸何润，磁且由股于有修真空混及压使力辅闻助，艇使得晕大型嘴件及斯形状劣复杂均的中绪空制纽奉件的剥合成露变得薄可行梅，是里制备C3D／PA复合勒材料饺较为羊合适会的方酒法。Su乳mi似to耽mo灶Ru膏bb腾er公司升正准季备将摔这一山技术载应用帆到需选求广骂泛的少体育和器材屠及汽植车组猾件领钞域中派。li已uq禾12喉17滤@1阁63朋.c熟omC3D／PA复合情材料攀的合伪成工棒艺T．Ya挑ma桌gu暖ch锈i等分秘别将糖玻纤紫增强葛与碳携纤增努强环朋氧基由复合冲材料摆与RI臣M尼龙管基复杀合材埋料进番行了谣比较煎，并兰得出件碳纤输增强RI墓M尼龙筝复合挡材料债具有瘦比其折它材席料更沫优良传的综子合性锡能的淹结论。T．Ya唇ma皇gu牌ch摩i等在赤实验辈的基家础上声，通语过RI画M技术短制得川由C3D／PA复合同材料好构成爱的中空皱网球诱拍，这石种球阵拍强度芳、硬巷度与同赏密度遭的环办氧复钉合材借料球殿拍相肤当甚钩至更亲高。些在15页70瓦N的作铺用力摊下，捞能承傍受90万次步的冲王击测虾试，某其减爱震性攀能优汗于同咳密度暖的环迫氧基死复合母材料。li展uq升12仍17身@1忧63胁.c税omC3D/P饭A6复合他材料尾工艺耗特点哈及影底响因捡素由于答纤维划编织愚物是脉由碳李纤维退成束敬编织之而成土，纤维犹结构可紧凑拴，纤助维与浓纤维旁之间蔑排列爷紧密狱，孔命隙较视小，这择给PA哨6／C3D复合伯材料夹的制钞备带酱来困身难。C3D/P奸A6复合储材料软工艺必特点:经初锡步探剩索，骡采用仁催化钉剂用健量较摄低的笋活性傍料配衣比进汗行浇律注，书模具授的预河热温锅度采蚀用(1诸50±5)航℃，可裹获得垫基体牙致密包的PA养6／C3D复合穗材料恋。li粉uq孩12暗17规@1饼63项.c梯omC3D/P耽A6复合舱材料阅工艺霉特点弓及影灵响因续素纤维开体积繁分数的影挽响模具肥预热蜘温度的影春响催化腔剂用无量的影债响纤维淘表面伟状态的影似响影响宁因素纷：li圣uq返12谈17哄@1用63顷.c纪omPA羊6／C3D复合愧材料笑热机谁械性政能分颗析PA水6及其吊复合悼材料漠的储拣能模建量随迫温度鹿变化型曲线li坝uq怪12请17逗@1坚63友.c免omPA逐6／C3D复合新材料巷热机绵械性臭能分鹅析由于慨三维送编织开是多观根纱橡线同栋时参编加编均织，进并且续多根洪纱线象在编超织过之程中袜都按田一定娇的规聋律运赖动，迁从而烧相互窑交织顽在一士起，锯形成彼一个章三维加整体土网状爷骨架者，而坐三维稍骨架己中纱蜻线的册取向雁决定每了复顾合材近料的退承载胶主方围向。因此PA的6／C3D复合鸣材料另比PA爹6、PA岔6／CL复合奥材料碑更适新合于锹制作廉结构法件。li酒uq柿12馅17头@1狼63群.c鹿omPA耀6／C3D复合趴材料仿热机弹械性迎能分震析PA胜6及其棵复合软材料膊的lo希g(ta线nδ)随温样度变宾化曲杜线lo斧g(叛ta衰nδ)的最味高拐默点所闯对应裕的温讲度为收其相绳应的Tg,，三糟者分鼠别为50千.7、40速.1、50屡.0客℃，可晨以认王为三耽维编变织碳烛纤维昨与PA促6基体铅复合眯后，悉两者屯之间贞存在辛很强莲的相课互作今用，置从而锯形成警了良好笨的结筒合界邮面，对PA置6体系额非晶表区主过链的讽运动烫并不桐造成廊多大银的阻落挠，诱因此Tg基本尘保持肠不变。li释uq贝12粪17严@1劝63开.c础omPA乡丰6／C3D复合隐材料形热机积械性誓能分获析(1领)用三海维编漆织碳哥纤维触作增笋强体之的尼会龙6复合木材料盆的热强久度比尼东龙6提高4．37倍以腔上。结论乱：(2尸)用三轿维编贼织碳绕纤维习作增魄强体吃的尼沉龙6复合骗材料办在加惭热条包件下追基体呈非晶逝区的玻璃轻化转朝变温遣度基检本上目保持鸡不变。(3笑)在加岭热情恳况下辈，三翁维编艘织碳哗纤维烟增强窃尼龙6复合雄材料半的综合悉性能优于们长碳喘纤维姑增强漂尼龙6复合黄材料说。li期uq巩12厨17谎@1芳63妥.c荐om应用Su躬mi维to怜mo羡R暂ub允be虑r公司通过虏反应导注射攀成型竿技术登制得弯网球猾拍(编织钩碳纤挖维体杯积比芝为50半)，将剖其与辞同质录量环泄氧基开复合霜材料语进行乖对比粪，两曲种复值合材老料的殊性能尚如表1所示讨。li群uq叉12反17无@1炒63为.c消om应用在同毫样压匠