碳纤维超高分子量聚乙烯复合材料的制备及物理力学性能测试毕业论文(编辑修改稿)

碳纤维超高分子量聚乙烯复合材料的制备及物理力学性能测试毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

汽车制造、造船、化工、家具与电气设备等领域，特别是在航空、舰艇、核能等领域尤其受到重用，新型的碳纤维增强复合材料己经从试用到生产、从单个零件到大面积使用、从军用产品到民用产品均得到迅速的发展，大规模采用复合材料的日子己经为期不远，应用前景十分广阔。 碳纤维增强复合材料性能的提高依赖于界面结合强度的提高。 控制界面结合强度的最关键因素是对碳纤维进行表面处理，增加碳纤维表面有效官能 团。 2 界面对碳纤维复合材料特别是其力学性能起着极为重要的作用，它使纤维与基体形成一个整体，并通过它传递应力，界面结合强度的提高是其研究的重要方面。 而复合材料界面问题牵涉面很广，它与增强体、基体组分、表面性质、偶联剂、复合工艺、工作条件环境等因素有关。 因此，弄清不同因素对其界面性能的影响，不仅具有很高的学术价值，而且对提高复合材料整体性能具有重要的指导作用。 碳纤维国内外发展概况 碳纤维发展最早可追溯到 1860年 ,丝开始 ,1880年 碳丝灯泡 ,而真正有碳纤维工业化是从 1959年美国联合碳化物公司 (UCC)粘胶基碳纤维 (CF)工业化。 同年日本人 do发明了用 PAN原丝制取 CF的新方法并申请了专利。 目前世界碳纤维生产主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国等少数发达国家和我国台湾省 ,其中日本的三家企业 :东丽公司、东邦公司和三菱人造丝就占据了全世界 78%左右的产量。 我国碳纤维研究与生产并不比日本、美国晚 ,但发展缓慢。 早在 20世纪 60一70年代 ,在国家有关部门支持下 ,十几家科研单位就已开始碳纤维研究工作。 经过30多年努力 ,目前各种规 格的碳纤维生产能力已达 20多吨。 但我国碳纤维的品质、产量与日、美等国比较至少落后 20年 ,其主要原因是原丝品质没有真正过关 ,其次 生产规模小 ,技术设备落后 ,产品品质不稳定 ,生产效益差。 目前 ,国内碳纤维年用量为 1500吨 ,其中 95%依赖进口。 碳纤维由石墨层片为基本结构单元组成乱层石墨结构 ,数十张层片组成石墨微晶 ,再由石墨微晶组成原纤 ,进而形成沿纤维轴择优取向的同质多晶结构。 由于在碳纤形成过程中 ,非碳原子的脱除会形成各种微小缺陷 ,加之微晶的大小、取向程度等诸因素影响使得最终纤维强度及模量与理论值差异较大 ,从另一 方面说明发展高强度高模量碳纤维仍具有很大潜力。 碳纤维按原料分类可分为聚丙烯睛基 (PAN)碳纤维、沥青基碳纤维、胶粘基和酚醛树脂碳纤维 ,目前主要以 PAN碳纤维、沥青基碳纤维为主。 碳纤维既有碳材料固有性质 ,又有金属材料的导电性和导热性、陶瓷材料的耐热性和耐腐蚀性、纺织纤维的柔软可编性以及高分子材料的轻质、易加工性能 ,是性能优异的功能材料和结构材料。 碳纤维广泛应用于航空、交通运输、建材等领域外 ,在体育休闲和一般产业领域得到了广泛 .的发展 ,80年代中期 , 碳纤维在体育用途方面的消耗量超过宇航用途 ,同时在开发低电压 或电磁界面隔板塑料结构件及智能材料方面有着巨大潜力。 3 碳纤维增强树脂基复合材料研究进展 碳纤维以热碳化方式由聚丙烯腈、沥青或粘胶加工而成，具有高强度、高模量、优异的耐酸碱性和抗蠕变性。 对碳纤维增强树脂基复合材料的研究主要集中在对纤维进行改性、对树脂基体进行改性和改善纤维和树脂基体的粘接性能这几个方面。 Feng An等用气溶胶辅助化学气相沉积法在 T300纤维表面接枝碳纳米管，使接枝后的纤维气体吸附 BET法比表面积几乎是原碳纤维的三倍，达到。 接枝的碳纳米管有效地增加了纤维和 树脂的接触面积，使载荷更有效地在纤维树脂界面传递，表面接枝后的纤维拉伸强度 单 丝 拔 出 试 验 较 原 纤维 下降不 到 10%，但是 其 复 合材料 的界面 剪切 强 度 却 提 高 了 94%。 SEM图 像 表 明 ， 接 枝 碳 纳米 管的 碳 纤维复 合材料 单 丝 拔 出 试 验 后 纤维 与 树脂基体 的 断 面 较 未 接 枝 碳 纳米 管的 原 碳纤维 与 树脂基体 断 面 更 粗糙。 Li Jin等用碳纤维作为工作电极，用循环伏安法或计时电位法，分别将苯酚、间苯二胺、丙烯酸的电聚合物沉积在碳纤维表面。 用处理后的纤维与酚醛树脂制 备纤维增强树脂复合材料，力学性能测试结果表明 :经间苯二胺处理后，复合材料的弯曲和层 间剪切强度分别提高了 68%和 87%。 经 苯酚 处理 后 ，复 合材料 的 弯曲和层 间 剪切 强 度 分 别 提 高 了 100%和 112%。 经 丙 烯 酸处理 后 ，复 合材料 的 弯曲 和层间 剪切 强 度 分 别 提 高 了 80%和 100%。 Benham Ashrafi等先对单壁碳纳米管进行预处理，使其能更好地在环氧中分散，然后与单向碳纤维制备成为复合材料。 力学性能测试表明，当单壁碳纳米 管的 质量 分数 为 %时 ，复 合材料 的 冲击 强 度 下降 5%， 但是 其 冲击 后 压 缩 性能 却 提高 %。 材料 的 I型 和 II型 层 间断 裂韧 性 分 别 提 高 了 13%和 28%。 复 合材料 断 裂 面的 SEM图 像 表 明 ， 单 壁 碳 纳米 管和 树脂基体 之 间 有 拔 出 和 剥 离两种 破坏 方 式。 Masahiro Toyoda等先将碳纤维在 HNO3电解质溶液中恒电流电解，然后在1000℃下使其剥离，制备成为纳米或亚微米 级 的 碳 纤维 原 纤 (Excfs)。 用 超 声 分散 的 方 法使 其 均 匀 分 散 在 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 脂 (PMMA)中 ， 制备 成 为 Exc Fs增 强 PMMA 复 合材料。 材料 的 弯曲 强 度 和 模 量 较 原 PMMA提 高 了 166%和 171%。 复 合材料 断 面的SEM图 像 显示 在 断 面 没 有 Exc Fs聚 集 的 现象 ，表 明 Exc Fs在 PMMA树脂基体 中分 散良好。 Kingsley K C Ho等 用常压等离子处理碳纤维，当处理后碳纤维表面的氟的质量分数达到 %时，碳纤维 /聚偏氟乙烯复合材料的弯曲强度由处理前的225MPa提高到 465MPa，弯曲模量由 80GPa提高到 110GPa，短梁强度由 到 21MPa。 研究表明对碳纤维表面等离子处理增强了纤维和树脂基体之间的范德华作用力。 4 Zhiwei Xu等分别利用氧化还原法和γ射线预辐照法用丙烯酸对碳纤维 进 行表 面 处理， 用 处理 后 的 碳 纤维 与 环 氧 树脂 制备 成复 合材料。 两种 方 法处理 后碳 纤 维表 面的氧 含量 都 明 显 增加，增加 了 纤维表 明 极 性 基 团 的 含量，增 强 了 环 氧树脂 对 碳 纤维 的 浸 润 性。 复 合材料 的层 间 剪切 强 度 (ILSS)测 试 表 明 ， 预 辐 照 处理和氧 化 还 原 法 丙 烯 酸处理使复 合材料 的 ILSS强 度 提 高 了 16%左右 ， 与 此 同 时 复 合材料 的 拉伸 强 度 只 是 有 轻 微 的 下降。 Tiwari S等用浓硝酸处理碳纤维，然后与聚醚酰亚胺 (PEI)制备复合材料。 力学性能测试表明，经浓硝酸 90min处理后复合材料达到了较好的力学性能， 弯曲 强 度 和 模 量 由 处理 前 的 927MPa和 59GPa提 高 到 1198MPa和 65GPa， 层 间 剪切 强 度也 由 处理 前 的 34MPa提 高 到 58MPa。 浓 硝 酸 对 纤维 的 表 明改 性 处理 同 时 有 效 地 增 强了 复 合材料 的 耐 摩擦性能。 碳纤维复合材料的应用 碳纤维复合材料主要是以满足航空航天对高性能材料的要求而发展起来的。 随着碳纤维复合材料的优异性能越来越多地被认识和接受，其在能源、交通、汽车、海洋、建筑及其他工业部门的应用近年来在快速地发展。 为了提高和改善飞机性能，早在 20世纪 50年代，美国空军材料实验室（ AFML）就开始寻求一种新型的结构材料，碳纤维复合材料正是在这种背景下被列入发展计划。 碳纤维复合材料的研究开发启迪于对玻璃纤维复合材料性能的认识和经验。 通常玻璃纤维复合材料的密度要 高出碳纤维复合材料的 1/3以上，其抗拉强度仅是碳纤维复合材料的 2/3，而其模量则不到 1/3，满足不了高性能飞机的要求。 因此研究高强度、高模量及低密度的增强纤维成为发展高性能纤维复合材料的前提。 在碳纤维之前，曾经开发过硼纤维， 1960年钨丝芯硼纤维开始了小批量的生产，硼纤维直径约 100μ m，其弹性模量达 400GPa，拉抗强度达 3800MPa；环氧增强的硼纤维（ VF≈ 60%）弹性模量达 200GPa（相对密度≈ ），是玻璃纤维复合材料的弹性模量 40GPa（相对密度≈ ）的 5倍，约是铝合金的弹性模量 70GPa（相对密度≈ ）的 3倍。 因此美国空军材料实验室将环氧增强的硼纤维复合材料命名为先进复合材料（ Advanced posite materials， ACM），并于 20世纪60年代后期开始了在飞机结构上的应用，如飞机水平尾翼和垂直稳定面翼盒结构等。 但是，硼纤维生产工艺复杂，成本高，硼纤维本身粗硬，很难在结构上推广应用。 基于这一事实，着手发展碳纤维复合材料，于 20世纪 60年代后期，研发成功聚丙烯腈基碳纤维并实现批量生产，从此开始了碳纤维复合材料在航空航天领域应用的里程。 碳纤维复合材料具有优异的综合性能， 被看成是一种理想的航空航天结构材料，近 40年来，在航空航天领域应用得到长足的发展。 碳纤维复合材料在航天领域主要应用于导弹弹头、弹体、火箭箭体、发动机 5 壳体的结构部件，以及大型卫星结构体、太阳能电池阵、天线等的主承力结构件。 碳 /碳和碳 /酚醛复合材料用于弹头端头、发动机喷管喉衬等耐烧蚀部件的防热，如美国“侏儒”、“民兵”、“三叉戟”等战略导弹；碳纤维复合材料用于固体发动机壳体，如美国“大力神 4”火箭、法国的“阿里安娜 2”火箭改型、日本的 M5火箭等的发动机壳体，其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强 度为 IM7碳纤维。 以高性能碳（石墨）纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构 /功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和空间飞行器上也发挥着不可替代的作用，有力地推动了航天技术的发展。 碳纤维增强树脂基复合材料也被用于航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。 美国航天飞机的防热对于确保安全飞行至关重要，根据使用部位的要求不同，共涉及 8 种材料：低温重复使用表面绝热材料（ LRSI），高温重复使用表面绝热材料（ HRSI），柔性重复使用表面绝热材料（ FRSI），高级柔性重复使用表面绝热材料（ AFRI），高温耐熔纤维复合材料（ FRICHRSI），增强型碳 /碳复合材料（ RCC），金属，二氧化硅织物。 其中增强型碳 /碳复合材料最为重要，需要耐受航天飞机再入大气层时 1700℃的高温。 随着全球石油资源紧缺局面的加剧，新能源的开发和利用已成为当今十分重要的研究课题，其中风能的开发和利用已形成全球的共识。 据预测，未来 10年内，全球风能市场将保持每年 20%的增长速度，每年新增风电装机容量将由 20xx年的 2万 MW增加到 2017年的 MW；全球风电装机总容量也将从 20xx年的 MW增至 2017年的 MW。 中国的增长速率可能会更快，据估计中国风电叶片的需求量在 20xx～ 20xx年之间约为 7000多片， 20xx～ 2020年之间将达到 50000片。 MW级的风机叶片长度在 40m以上， 10MW级的风机叶片长度达 60m，必须采用碳纤维复合材料才能满足叶片轻质、高强度和高模量的要求。 因此风电市场的快速增长将极大地推动碳纤维复合材料产业的发展。 对于未来的汽车工业，碳纤维复合材料将成为汽车制造的主流材料。 20xx年宝马公司率先开发和试验高强轻质的碳纤维复合材料（ CFRP）车体板和其他部件，所用碳纤维系 Zoltek公司生产的大丝束产品，目标是 20xx年生产出采用 CFRP制造的系列汽车。 Zoltek公司总裁确信，碳纤维将引起汽车工业革命性的变革。 英国 Cranfield大学的研究成果也表明，每年生产 2万辆的 CFRP汽车是可行的。 这种轻质化材料的汽车将改进其燃料效率，轻质化材料部件的刚性比钢制部件高，在高风阻力下具有良好稳定性，这一点对赛车和运动型车而言更为重要。 目前已研制出的 CFRP汽车长 、宽 、高 ，重量只有 570kg。 CFRP材料由德国 Tenax公司生产提供。 美国福特公司在数年前研制成功的一款称之为“ Sunrise”的体验型全复合材料汽车，并生产出数辆样车，这种以“金牛座”汽车为基型的复合材料汽车， 6 总重量不到“金牛座”的 2/3（即 20xx/3314，磅），汽油的使用效能达。 包括车身和底盘基座等在内的大多复合材料部件采用低成本的整体成型技术，既提高了性能，又降低了成本。 此外，部分型号的奔驰车车门也采用了 CFRP材料，目前每年只生产 1000件这样的车门。 加拿大的一家汽车公司认为，目 前碳纤维的价格对价值 20万美元的汽车是可接受的，他们研制的 C7豪华双人旅游车便采用了 CFRP部件，该车的空气动力学车头和仪表板均是由 CFRP制成的。 除了碳纤维复合材料，其他新型复合材料也在汽车上有广泛应用，例如，汽车的光显示系统采用了塑料光纤，发动机的传感器采用了耐 150～ 180℃高温的耐热塑料光纤，汽车的空调滤材。