以熱塑性樹脂為基體，以纖維為增強體而制成的復合材料——纖維增強熱塑性樹脂基復合材料（FRTP）是近年來發(fā)展迅速的一類纖維增強復合材料。與以往傳統(tǒng)的纖維增強熱固性樹脂復合材料（FRP）相比，F(xiàn)RTP具有很多優(yōu)點：①密度小，強度高。鋼材的密度為7.88 g/cm3，F(xiàn)RP的密度為1.7～2.0 g/cm3，F(xiàn)RTP的密度為1.1～1.6 g/ cm3，僅為鋼材的16%～20%，比熱固性玻璃纖維復合材料（GFRP）的密度還要小。因此，他能夠以較小的單位質(zhì)量獲得更高的力學性能。②韌性比較高。以環(huán)氧樹脂和PA為例，環(huán)氧樹脂的斷裂后伸長率<10%，而PA的斷裂后伸長率則可達60%。③熱塑性樹脂成型過程中無需化學反應(yīng)，因此成型周期短。④可重復利用。熱塑性樹脂可反復加熱冷卻成型，廢料可回收利用，達到節(jié)能環(huán)保的目的。⑤選用PPS、PEEK等耐熱工程塑料作復合材料的基體，可以使得復合材料在更高的溫度下使用。所以FRTP越來越受到人們的重視，在航空、體育、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用日漸增長。
碳纖維（Carbon fiber，CF）是由有機纖維在惰性氣氛中經(jīng)高溫碳化而成的纖維狀聚合物碳。CF具有很高的抗拉強度，其抗拉強度是鋼材的2 倍和鋁6 倍，模量是鋼材的7 倍和鋁的8 倍。與熱塑性樹脂復合后，更能進一步提高熱塑性樹脂的性能，擴大應(yīng)用范圍。以PPS為例，CF增強PPS復合材料已用在空客A340和A380飛機機翼的主椽上。美國新澤西Summit的高爾夫球桿制造商Phoenixx golf公司選用CF增強線型PPS來制造高 爾夫球桿。
1 碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料（CFRTP） 的研究現(xiàn)狀
1.1 CF增強PA
聚酰胺樹脂（PA）是具有許多重復的酰胺基的線型熱塑性樹脂的總稱，俗稱尼龍，商品有PA6、PA1010等。PA6本身就是性能優(yōu)異的工程塑料，但吸濕性大，制品尺寸穩(wěn)定性差，強度和硬度也不如金屬。用CF增強改性后，大大提高了PA的力學性能，改性后即可作為結(jié)構(gòu)材料承受載荷，又 可作為功能材料發(fā)揮作用。孫偉等[4]用雙螺桿反應(yīng)擠出制備了CF/PA6復合材料（CFRPA6），并考察了CF表面處理方法、CF的質(zhì)量分數(shù)和初始CF長度 對CFRPA6性能的影響。指出經(jīng)過表面處理的CF增強效果較未經(jīng)表面處理的明顯變好，用液相氧化+ 硅烷偶聯(lián)劑復合處理法比氣相氧化和液相氧化的表面處理法要好；CF質(zhì)量分數(shù)9%時，CFRPA6的力學性能最好；CF長度10 mm比5 mm更有利于增強復合材料的各項力學性能，而且并不影響擠出和 CF在CFRPA6中的分散效果。
葛世榮等采用溶劑濕法超聲法將空氣氧化處理的CF與PA1010混合，而后使用微型注塑機注塑成型。研究發(fā)現(xiàn)CF表面氧化處理提高了CF 與PA1010的粘結(jié)力；隨著CF體積分數(shù)的增加，CFRPA1010的抗拉伸強度和洛氏硬度先增加后下降，當CF體積分數(shù)為20%和30%時，CFRPA1010 的抗拉伸強度和洛氏硬度分別達到了最大值；CFRPA1010的摩擦系數(shù)隨著CF體積分數(shù)的增加而降低，當CF體積分數(shù)達到20%時，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.24左右。
1.2 CF增強PES
PES是英國ICI公司在1972年開發(fā)的一種綜合性能優(yōu)異的熱塑性高分子材料，是目前得到應(yīng)用的為數(shù)不多的特種工程塑料之一。由于它具有優(yōu)良的自潤滑性，加之電絕緣性及阻尼性好，并且可以采用擠出和注塑成型，因而特別適合用于制作干滑動元件，用CF作填料的CFRPES摩擦系數(shù)低且耐磨性好。趙偉巖等[6]采用模壓工藝制備CFRPES，并考察CF體積分數(shù)及長度對CFRPES/ 固體潤滑劑/PTFE（聚四氟乙烯）復合材料摩擦性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著CF體積分數(shù)的增加，復合材料的硬度增加；抗沖擊強度隨CF體積分數(shù)增加，先增加后下降，在10%～20%之間達到最高；隨著CF體積分數(shù)的增加，材料儲能模量增加，而損耗角正切逐漸減小，并在CF體積分數(shù)達到20%以后漸趨平緩；對于長度為40 µm及100 µm的CF，100 µm的CF增強效果更佳。鄭亮[7]等采用溶液浸漬法制備連續(xù)CF增強PES、PPESK、PPBES（共聚型二氮雜萘酮聯(lián)苯結(jié)構(gòu)聚醚砜）、PEI（聚醚酰亞胺）預(yù)浸料，而后將預(yù)浸料熱壓成型制備CF/PPESK、CF/PPBES、CF/PPESK/PES、CF/PPESK/PEI復合材料。研究發(fā)現(xiàn)用溶液浸漬法制備的復合材料纖維在樹脂基體中分布均勻，纖維與樹脂的粘結(jié)性能良好；聚合物溶液的粘度越低，浸漬效果越好；所制備的各種樹脂基復合材料力學性能隨CF體積分數(shù)的增加，都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。
1.3CF增強PC
PC是一種應(yīng)用廣泛的工程塑料，把CF與PC復合后，可進一步提高PC的各種性能，擴展它的應(yīng)用領(lǐng)域。李春華等[8]用雙螺桿擠出法制備CFRPC，并研究了纖維表面處理、纖維長度、纖維體積分數(shù)及擠出成型工藝對復合材料性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，用液相氧化+硅烷偶聯(lián)劑復合處理法比氣相氧化和液相氧化的表面處理法要好；CF 體積分數(shù)增加后，復合材料的力學性能得到顯著提高，熱變形溫度也得到了明顯提高；當CF體積分數(shù)為13%時，抗屈服強度比純PC提高了32%，彈性模量提高了近1 倍，熱變形溫度提高了43 ℃；CF長度10 mm比5 mm更有利于增強復合材料的各項力學性能。
1.4 CF增強PPS
PPS是一種半結(jié)晶熱塑性樹脂，具有卓越的力學性能、耐化學侵蝕性、阻燃性等。張隨山等[9]用懸浮熔融法制備CFRPPS預(yù)浸帶，采用模壓工藝制備了CFRPPS。制備的復合材料有很好的力學性能及優(yōu)良的耐溶劑性，PPS與CF之間的粘結(jié)性能優(yōu)良，證明用懸浮熔融法制備連續(xù)CF增強PPS 預(yù)浸料是可行的。邱軍等[10]用冷壓燒結(jié)制備了CFRPPS。研究發(fā)現(xiàn)CF（布）的體積分數(shù)對復合材料的力學性能影響很大，隨著CF（布）體積分數(shù)增加，復合材料的力學性能提高。當CF（布）體積分數(shù)超過50%時，力學性能開始下降；經(jīng)CF 表面處理的CF/PPS復合材料的抗拉伸性能和抗沖擊性能都得到了顯著的提高，且經(jīng)過丙酮浸泡處理的CF（布）比經(jīng)過高溫處理的CF（布）增強效 果要好。
1.5 CF增強PPESK
PPESK是一種新型的耐高溫聚合物，具有較高的力學性能和良好的耐熱性、絕緣性以及耐化學腐蝕性，而且熔解性能好，可用作高性能復合材料的基體。彭靜等[11]將C F等離子接枝處理后與PPESK及固體潤滑劑溶液共混干燥后，采用熱壓成型工藝制作CF/PPESK/固體潤滑劑復合材料，考察CF質(zhì)量分數(shù)對復合材料耐磨性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)少量C F（質(zhì)量分數(shù)5%) 的加入就可以顯著提高復合材料的耐磨性能，可降低摩擦系數(shù)和提高自潤滑效果；當CF質(zhì)量分數(shù)超過5%以后，復合材料的比磨損率變化不大。超過10%后比摩損率稍有增加，但摩擦系數(shù)有所減小。
1.6 CF增強PEEK
P E E K是新一代耐高溫熱塑性樹脂，其CFRTP已經(jīng)用于機身、衛(wèi)星部件和其他空間結(jié)構(gòu)，PEEK的CFRTP可在250 ℃條件下連續(xù)使用[3]。針對PEEK熔融粘度大，難于浸漬的特點，隋月梅[12]設(shè)計了PEEK/DPS（二苯砜）混合體系凍膠浸漬工藝，在PEEK中加入一定比例的DPS形成固體混合物，再將PEEK/DPS混合物以熔融浸漬的方法浸漬CF，完全浸漬后，去除多余的溶劑，形成CF/PEEK預(yù)浸料。考察了纖維張力對熔融浸漬效果及復合材料力學性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)一定的纖維張力有利于纖維的分散，張力過大時，纖維易集束，不利于浸漬；纖維張力的大小對其復合材料的抗拉伸強度和抗拉伸模量有較大的影響。
1.7 CF增強PI
PI具有突出的熱穩(wěn)定性，良好的抗沖擊、抗輻射和耐溶劑性能，在高溫、高低壓和高速等極端環(huán)境下具有優(yōu)異的耐摩擦磨損性能，用CF增強后，可進一步提高性能，擴大應(yīng)用范圍。李健[13]將CF表面處理后，采用熱壓成型工藝制備CF/ PI復合材料。考察了CF質(zhì)量分數(shù)及RES表面改性（稀土溶液處理CF）、空氣氧化改性處理對CFRPI力學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，RES表面改性方法優(yōu)于空氣氧化處理方法。當稀土溶液中稀土質(zhì)量分數(shù)為0.3%時，所制得的CFRPI具有最優(yōu)的力學性能。隨著CF體積分數(shù)的增加，CFRPI的摩擦學性能得到提高。當CF體積分數(shù)為20%時，CFRPI的摩擦系數(shù)和磨損量最小。
2 結(jié)論
⑴ 與CFRP相比，選擇合適的熱塑性樹脂基體，可以使CFRTP有更好的耐腐蝕、耐溫等性能。CFRTP成型周期短，制品可回收循環(huán)利用，但須解決熱塑性樹脂浸漬問題。
⑵ 對于CF短纖維，可以采取雙螺桿擠出的方法制備CFRTP預(yù)浸料，而后注塑成型，也可直接將CF與樹脂混合后熱壓成型；對于連續(xù)CF，可以采用熔融浸漬或溶液浸漬的方法制備預(yù)浸料，而后熱壓成型。
⑶ 采用不同的CF表面處理方法，均可以提高CF與基體的粘結(jié)力，從而提高CFRTP的力學性能，合適的處理方法可使樹脂的抗拉伸強度提高40%。
⑷ CFRTP的性能隨CF體積或質(zhì)量分數(shù)的提高而提高，力學、耐溫、耐磨等性能均有所提高。當CF體積分數(shù)為10%～20%時，CFRTP的各項性能最好，熱變形溫度最高可提高將近50 ℃，常溫下的摩擦系數(shù)可降低50%左右。但當CF體積分數(shù)增大到一定值時，由于樹脂基體體積分數(shù)的減少，CF與樹脂基體的粘結(jié)性能降低，從而導致CFRTP各項性能的降低；CF的長度對CFRTP的性能也有所影響。長度稍長的CF增強效果更佳（最長可至10 mm），采用合適的工藝參數(shù)則不會影響CF在CFRTP中的分散效果。
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