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碳纤维织物增强尼龙6复合材料成型工艺及性能研究

吴玉霞  
【摘要】:热塑性树脂基复合材料因其可回收、成型快、韧性高等优点,具有重大的社会和经济潜在效益,这类材料最近几年重新引起人们关注,并在航空、汽车等行业选材中出现替代热固性复合材料的趋势。过去的碳纤维(CF)增强尼龙6(PA6)基热塑性复合材料研究多集中于短纤、长纤增强材料,CF体积分数小于30%、力学性能低于连续纤维增强材料。如果用作承力结构件,必须选择碳纤维织物(CFF)作为复合材料的增强体。然而CFF/PA6复合材料的成型与短纤、长纤增强PA6或热固性复合材料相比难度很大。PA6熔体粘度远高于热固性基体成型粘度,CF体积分数超过40%,PA6对CFF丝束内部的浸润性差,易造成孔隙缺陷。因此,为了获得力学性能优异的复合材料,必须提高热塑性树脂基体对纤维的浸润性,改善界面结合强度。 本文采用叠层模压法制备了商业级碳纤维织物增强尼龙6复合材料,首先研究了模压成型的温度、时间、压力等工艺参数对CFF/PA6复合材料结构与性能的影响规律,并建立了优化成型工艺:模压温度250℃、模压时间30min、模压压力为2.0~2.5MPa。在此条件下制备的复合材料拉伸强度为349.5MPa,弯曲强度为497.7MPa,层间剪切强度为23.1MPa,冲击强度为67kJ/m2。 在模压成型工艺优化的基础上,探索了CFF/PA6复合材料的界面改性方法及原理。商业级CFF在编织过程中为避免产生毛丝,通常会涂覆一层环氧树脂类浆料。这层浆料的耐温性差,在CFF/PA6成型所需的高温下易发生热分解,在CFF/PA6界面处形成缺陷,增加孔隙率、降低界面结合强度。本论文中,我们提出一种基于CF表面改性的CFF/PA6成型方法,采用高温氮气法去除商业级CFF表面浆料;通过含PA6的甲酸溶液处理使CF表面活化、与PA6形成氢键,并使PA6以粘度较低的溶液状态渗透CFF丝束内部,有利于对CFF的浸润。将改性处理后的CFF与PA6薄膜通过叠层模压法制备CFF/PA6复合材料,对其结构和性能进行表征与评价,发现与直接用商业级CFF制备的复合材料相比,改性CFF制备的复合材料力学性能大幅提高,拉伸强度提高至464.4MPa,弯曲强度提高至698.5MPa,冲击强度提高至95.3kJ/m2,层间剪切强度提高至82.7MPa;复合材料孔隙率降低至0.81%;拉伸断口处纤维表面包覆大量基体树脂,表明CFF/PA6界面结合强度提高。 本论文还研究了CFF/PA6复合材料的几种连接方法。采用单搭接对CFF/PA6复合材料进行连接,考察了胶接和热焊接等不同连接方法和工艺条件对连接强度的影响。结果表明,传统胶接方法更加简便、易操作,但连接强度较低;基于增强体CFF导电发热的热焊接方法可有效应用于CFF/PA6热塑性复合材料连接,且设计性强;采用模压连接法制备的复合材料连接处的强度最高,优化工艺为250℃、2.5MPa下,其连接强度为138.85MPa。


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