碳纤维增强尼龙复合材料的研究.docx

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碳纤维增强尼龙复合材料的研究

山东科技大学

本科毕业设计（论文）开题报告

题目碳纤维增强尼龙复合材料的研究

学院名称材料科学与工程学院

专业班级高分子材料与工程2009-1

学生姓名王晶

学号200901130120

指导教师张如良

填表时间：

2013年4月2日

填表说明

1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

2.此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期完成，经指导教师签署意见、相关系主任审查后生效。

3.学生应按照学校统一设计的电子文档标准格式，用A4纸打印。

4.参考文献不少于8篇，其中应有适当的外文资料（一般不少于2篇）。

5.开题报告作为毕业设计（论文）资料，与毕业设计（论文）一同存档。

设计（论文）

题目

碳纤维增强尼龙复合材料的研究

设计（论文）

类型（划“√”）

工程实际

科研项目

实验室建设

理论研究

其它

√

一、本课题的研究目的和意义

聚酰胺（PA，俗称尼龙）是美国DuPont公司最先开发用于纤维的树脂，于1939年实现工业化。

20世纪50年代开始开发和生产注塑制品，以取代金属满足下游工业制品轻量化、降低成本的要求。

聚酰胺主链上含有许多重复的酰胺基，用作塑料时称尼龙，用作合成纤维时我们称为锦纶，根据二元胺和二元酸或氨基酸中含有碳原子数的不同，可制得多种不同的聚酰胺，目前聚酰胺品种多达几十种，其中以聚酰胺-6、聚酰胺-66和聚酰胺-610的应用最广泛[1]。

尼龙是通用工程塑料中产量最大、品种最多、应用最广、性能优良的基础树脂。

具有力学强度高、韧性好、耐磨等一系列优点。

但由于尼龙的酰基和水分子之间容易形成氢键，因此有较大的吸水性，造成产品尺寸稳定性差，耐强酸强碱性差，干态和低温冲击强度低等[2]。

为了克服这些缺点，提高尼龙材料的力学性能，扩大应用范围，国内外的研究者对尼龙6进行大量的改性研究和开发，例如采用玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维及芳纶纤维对尼龙进行增强，通过基体增韧、纤维结构的优化、混杂、纤维表面处理等途径对尼龙进行增韧等，研制开发出一系列综合性能优越、可满足特殊要求的改性尼龙新品种，可广泛应用于汽车工业、航空航天工业、国防工业以及文体用品等，前景十分可观[3]。

通过纤维改性尼龙能够大大提高尼龙的耐酸性耐碱性和物理性能，使其适用范围更广，因此用纤维改性尼龙具有很重要的意义。

本课题将对此展开研究。

二、本课题的主要研究内容（提纲）

本次课题主要进行不同含量的碳纤维对尼龙基体增强效果的研究，采用了双螺杆挤出机共混改性后测试复合材料的力学性能。

主要研究内容有：

（1）碳纤维含量对尼龙基体增强的影响；

（2）工艺参数对尼龙基体增强的影响；

（3）尼龙种类对复合材料强度的影响；

三、文献综述（国内外研究情况及其发展）

目前研究的纤维改性尼龙有玻璃纤维改性尼龙、碳纤维改性尼龙、芳纶纤维改性尼龙、玄武岩改性尼龙以及超高分子量聚乙烯纤维改性尼龙等，这里主要介绍玻纤改性尼龙和碳纤维改性尼龙。

3.1玻璃纤维增强尼龙研究进展

玻璃纤维增强复合材料，是以聚合物为集体，以玻璃纤维为增强材料而制成复合材料，综合了聚合物和玻璃纤维的性能，具有比强度高、耐腐蚀、隔热、成型收缩率小等优点。

采用玻璃纤维增强尼龙可以成倍提高尼龙的强度，大幅度提高其热变形温度，是制造高强度耐热尼龙的有效途径。

目前，国外对高GF含量PA66的研究较多，研制出的高GF含量的PA66材料具有高刚性。

如美国杜邦公司生产的Zytel70G43LBK031，日本ICI公司的VertonRF700-10和RA-D7008，日本Tonya公司生产的AirmanCM3001G45,德国BASF公司生产的UltramidA3WGIO以及法国Rhoda公司的TechnylA216V50,A218V40,A218V50等，玻纤含量高达50%。

而国内目前由于工艺技术、设备等原因的困扰，玻纤含量最高只能达到40%左右，并且由于工艺技术的欠缺，造成产品强度低、流动性差、玻纤外露严重，产品档次一直在中低档产品中徘徊，对于高玻纤含量产品，国内使用的高玻纤增强尼龙为进口材料。

随着应用市场的飞速发展，对玻纤增强尼龙提出更高的要求。

国内对玻纤增强尼龙材料进行了大量理论研究和产品开发。

从基体中玻纤含量、玻纤的尺寸、玻纤的分散性、玻纤与尼龙基料的粘结程度、各种助剂的正确使用以及工艺条件的调整等不同的方面进行研究以达到增强的目的。

研究情况如下：

孙红玲[4]用硅烷偶联剂KH550对长玻纤进行表面处理后采用熔融共混法制备了尼龙66/长玻纤复合材料，分析了玻纤含量、温度对复合材料热膨胀系数的影响。

结果表明，随着玻纤含量的增加复合材料的热膨胀系数显著下降；随着温度的升高，复合材料的热膨胀系数先增大后减小最后趋于平衡。

王艇[5]以通用聚酰胺为基体，以短切玻璃纤维（事先以硅烷偶联剂进行表面处理）对其进行共混改性。

实验测得当玻璃纤维用量约为30%时，材料的拉伸强度、拉伸模量和弯曲强度、弯曲模量最好，冲击强度为5.3KJ/cm2力学性能呈先上升后下降的趋势。

高志秋[6]用熔体浸渍工艺制备了长玻纤增强尼龙6预浸料，结果得出长玻纤增强尼龙复合材料的力学性能明显优于短玻纤增强尼龙复合材料。

张士华，陈光等人[7]通过碱催化阴离子聚合反应制备玻璃纤维增强单体浇铸尼龙复合材料（GFMCPA）,研究了在干摩擦和水润滑条件下，玻璃纤维含量对尼龙复合材料的摩擦性能具有显著影响；玻璃纤维质量分数达到30%后复合材料具有较好的耐磨性；在水润滑条件下，复合材料的摩擦系数和磨损量较干摩擦时大幅度降低。

玻璃纤维表面能够与聚酰胺之间形成紧密结合，改善玻纤与聚酰胺复合材料的界面状况与分散性可以提高聚酰胺复合材料的力学性能。

刘相果等[8]究了多种偶联剂对GF/PA66的微观结构及性能的影响。

结果表明,偶联剂的加入,不仅使GF在PA66基体中基本呈均匀分布,而且使材料的结构及性能有较大的改善；复合偶联剂A1100+A+B的改性效果优于单独使用A1100；复合偶联剂中A1100的最佳含量为1.5%；偶联剂的失效机理为界面的脱粘、脱粘后的摩擦和纤维的拔出。

高玻纤含量增强尼龙可以提高尼龙的强度、尺寸稳定性和降低吸水率，但是也带来一系列的问题。

当玻纤的含量超过40％时，复合体系的熔体粘度增大，不仅使加工成型困难，而且制品容易出现玻纤外露、表面粗糙的不良现象，特别是玻纤含量高的PA制品尤其严重，所以玻纤增强尼龙的研究仍有很长的路要走。

3.2碳纤维改性尼龙研究进展

碳纤维改性尼龙材料近年来发展很快，因为尼龙和碳纤维都是各自领域性能优异的材料，其复合材料综合体现了二者的优越性，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，尺寸精度好，耐磨，阻尼性优良，与玻纤增强尼龙相比有更好的综合性能。

针对尼龙的优缺点及目前碳纤维复合材料的研究热点,从以下几个方面对国内外碳纤维改性尼龙研究现状加以介绍

（1）碳纤维与尼龙基体界面性能的研究

复合材料的性能不仅取决于材料的组成,而且取决于组成材料之间的界面粘结状态及界面应力的传递方式,界面结合的强度会直接影响复合材料的力学性能。

碳纤维与基体树脂的结合力不够,因此在应用时须进行表面处理。

国外，JQ.Irob等[9]采用表面电聚合对碳纤维表面进行处理，结果表明，水相条件下，在CF表面通过电化学聚合吡咯后，CF表面自由能提高40%，从而使CF在尼龙基体中的润湿性能大大改善。

S.J.Park和B.J.Kim[10]对碳纤维表面进行臭氧处理，针对臭氧浓度和处理时间进行讨论。

通过傅里叶变换红外分附析和X射线光电子光谱分析发现，经过臭氧处理后,羰基、酯基、羟基等含氧官能团粘在碳纤维表面以提高界面黏结度。

J.Li[11]用Y射线对碳纤维进行表面处理,处理后的复合材料多种性能均得到改善。

国内,李春华[12]等人通过双螺杆反应挤出机制备碳纤维复合材料的研究了复合材料的微结构和力学性能,碳纤维的扫描电镜照片显示,处理后的碳纤维较未处理碳纤维有更好的表面粗糙度。

复合材料断面照片显示处理后的碳纤维和基体尼龙6材料有着很好的界面结合。

复合材料的力学性能得到提高,其拉伸强度和拉伸模量分别提高了33%和50%。

赵洪凯等人[13]采用阴离子原位聚合碳纤维增强尼龙，在碳纤维表面接枝上高聚物活性官能团,以调节复合材料中纤维与树脂之间的界面效应,从而改善复合材料的性能,结果发现碳纤维表面对原位聚合生成的尼龙以及改性尼龙结晶有很大影响,碳纤维未接枝处理时表面形成的横晶比较少;碳纤维接枝处理后可以看见纤维附近存在大量晶体结构,结晶体密度高,有利于材料性能改良。

郑立允，赵立新等[14]发现用液相氧化法处理碳纤维可以增加纤维表面的凸凹度、比表面积和表面含氧官能团的含量,从而提高纤维与基体之间的粘接强度,提高复合材料的力学性能。

中石化[15]采用液相氧化加阳极氧化处理方法,使碳纤维表面的缺陷得到修复,机械强度更高。

（2）碳纤维增韧尼龙的研究进展

除上面介绍的界面改性外,碳纤维复合材料的增韧还可以通过基体增韧、碳纤维结构形式的优化及混杂等途径来实现。

目前尼龙基体增韧体系主要包括:

PA/聚烯烃弹性体、PA/有机刚性粒子、PA/无机刚性粒子,其中第一种体系对冲击性能提高幅度最大,应用也最为广泛,然而对于拉伸强度的影响也最大。

另一个研究热点就是运用热致性液晶材料（TLCP）自发取向的特征,通过改善材料的流动性能和纤维的分布均匀性等以达到自增强增韧的作用。

碳纤维结构形式的优化是指通过现代二维、三维整体编织技术,按制件的形状和尺寸设计复合材料增强体构架，这样既能保证所需形状，又能保持纤维的完整性，同时能有效控制纤维含量。

在此类复合材料中,断裂的分散化、纤维网络的弯曲分层以及断裂桥联作用使得层间韧性提高,从而产生增韧效果。

混杂又称混纤纱，浸渍是指将树脂纤维和增强纤维拉丝后合股，成形时树脂纤维熔融并均匀分散到纤维上。

因树脂纤维和增强纤维达到理论上单丝分散水平，浸渍效果甚佳，增韧增强效果也更为明显，目前有报道的混纤纱体系主要有CF/PEEK和CF/PA。

（3）碳纤维增强尼龙的研究进展

碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特点，与玻璃纤维相比，模量高3〜5倍，因而是一种获得高刚性和高强度尼龙材料的优良增强材料。

其中碳纤维复合材料可分为长（连续）纤维增强和短纤维增强两大类，纤维长度可从300~400m到几个毫米不等。

目前国外大多采用尼龙6或尼龙66作为基体材料,以短切或长（连续）碳纤维作为增强材料。

例如美国Wilson-Fiberfil国际公司使用40%碳纤维增强尼龙66,其弯曲强度提高到2758MPa,拉伸强度达到317.2MPa,添加30%碳纤维,其磨损因素为尼龙66本体的十分之一,添加20%碳纤维,其弯曲强度与添加40%的玻纤增强相同,达到294MPa。

而纯尼龙-66树脂的拉伸屈服强度只有86MPa,悬臂梁缺口冲击强度为69J/M。

国内王军祥等人[16]用碳纤维填充尼龙1010制备了碳纤维增强尼龙复合材料，并对其力学性能和摩擦学性能进行了实验研究。

结果表明：

碳纤维增强使尼龙复合材料的拉伸强度、表面硬度、耐磨性增大，在润湿条件下的碳纤维增强尼龙材料的磨损率比在干燥时的磨损率要高，但摩擦系数却低。

摩擦系数和磨损率与拉伸强度具有反比关系。

郑立允等人[17]研究了碳纤维对CCF/MCPA力学性能的影响以及CCF/MCPA的摩擦学性能和磨损机制。

结果表明,CCF/MCPA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,CCF/MCPA的摩擦系数和磨损量随着载荷的增加而降低。

由此可见,碳纤维对尼龙树脂的增强作用是显著的。