碳纖維增強(qiáng)尼龍

1、關(guān)于碳纖維增強(qiáng)尼龍第一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料摘要：綜述了碳纖維增強(qiáng)尼龍的發(fā)展過程，分別介紹了連續(xù)纖維和三維編織碳纖維增強(qiáng)尼龍的力學(xué)性能以及應(yīng)用。關(guān)鍵詞：連續(xù)碳纖維、三維編織碳纖維、尼龍、力學(xué)性能、復(fù)合材料第二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月尼龍材料 尼龍作為一種極為重要的熱塑性工程塑料，自上世紀(jì)5O年代美國杜邦公司工業(yè)化生產(chǎn)以來，已有五十年的發(fā)展歷史，目前位居工程塑料之首。 6O年代后發(fā)展起來的鑄型尼龍(MCPA)合成技術(shù)，又將尼龍的使用推上了一個新的臺階。 與普通尼龍相比，鑄型尼龍具有聚合溫度低、工藝簡單、結(jié)晶度高、分子量大、機(jī)械強(qiáng)度高等特

2、點(diǎn)，目前其制品已廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、石油化工、紡織、交通、建筑、冶金等行業(yè)，且已收到明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。一、前言：第三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月尼龍材料 尼龍本身是性能優(yōu)異的工程塑料，但吸濕性大，制品尺寸穩(wěn)定性差強(qiáng)度與硬度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如金屬 為了克服這些缺點(diǎn)，早在70年代以前人們就采用碳纖維或其它品種的纖維進(jìn)行增強(qiáng)以改善其性能第四張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料 用碳纖維增強(qiáng)尼龍材料近年來發(fā)展很快，因為尼龍和碳纖維都是工程塑料領(lǐng)域性能優(yōu)異的材料，其復(fù)臺材料綜臺體現(xiàn)了二者的優(yōu)越性，如強(qiáng)度與剛性比未增強(qiáng)的尼龍高很多，高溫蠕變小，熱穩(wěn)定性顯著提高了

3、，尺寸精度好，耐磨。阻尼性優(yōu)良，與玻纖增強(qiáng)相比有更好的性能。 因而碳纖維增強(qiáng)尼龍(CFPA)復(fù)合材料近年來發(fā)展很快。目前國內(nèi)外CFPA復(fù)合材料主要是以短切或長碳纖維增強(qiáng)PA6、PA66等基體。第五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料 例如美國WilsonFiberfil公司使用40碳纖維增強(qiáng)PA一66，其彎曲強(qiáng)度可達(dá)2758MPa，拉伸強(qiáng)度可達(dá)到3172MPa，而純尼龍66樹脂的拉伸強(qiáng)度只有86MPa。 CFRPA66已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、體育用品、紡織機(jī)械、航空航天材料等領(lǐng)域 。第六張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料力學(xué)實驗 試驗

4、所用材料為自制MC尼龍、連續(xù)碳纖維增強(qiáng)MC尼龍(簡稱CCFMCPA)，碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為l2 24 。碳纖維為T300高強(qiáng)度聚丙烯腈基碳纖維，其密度為176gcm3，單纖直徑為6-8微米 ，由日本進(jìn)口，將碳纖維進(jìn)行450h空氣氧化處理。 摩擦磨損試驗在MM一200型摩擦磨損試驗機(jī)上進(jìn)行，試樣尺寸為25mm7mm 6mm，表面經(jīng)600#砂紙打磨。對磨偶件為45#鋼試環(huán)，熱處理硬度為4045HRC，直徑40mm，厚度10 mm，表面粗糙度Ra=0.32-0.63微米。用丙酮清洗試樣和試環(huán)表面?；瑒铀俣葹?42ms。試驗載荷分別為50N、150N、250N，滑動時間為60min。實驗內(nèi)容：第七張，P

5、PT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料力學(xué)實驗 通過記錄摩擦力矩T(取記錄平均值)及環(huán)的半徑r和載荷P，利用公式 =T(rP)計算得到摩擦系數(shù)。通過測量磨痕的寬度計算出磨損體積，再計算出單位體積和單位載荷下的磨損體積損失，并以此評價磨損率w。 采用Neophot光學(xué)顯微鏡觀察和分析偶件試環(huán)磨損表面形貌，并進(jìn)而分析材料轉(zhuǎn)移情況及磨損機(jī)理；采用XL30 ESEM型掃描電子顯微鏡觀察磨痕及磨屑的形貌。第八張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料力學(xué)實驗 表1為不同碳纖維體積分?jǐn)?shù)CCFMCPA的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，由表可知，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量

6、、沖擊強(qiáng)度和平面剪切強(qiáng)度隨碳纖維含量的增加而提高，橫向剪切強(qiáng)度略有下降。第九張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料力學(xué)實驗 根據(jù)復(fù)合材料混合定律，隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的強(qiáng)度增大，材料宏觀表現(xiàn)為強(qiáng)度增加。 CCFMCPA的剪切強(qiáng)度由基體與纖維共同決定，且纖維的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于基體，此時，其平面剪切強(qiáng)度主要受纖維控制，基體主要傳遞載荷的作用，所以，纖維體積含量越高，CCF/MCPA的平面剪切強(qiáng)度越大，與復(fù)合材料的混合定律一致。第十張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料力學(xué)實驗 在低載荷時，由于基體MC尼龍已處于粘流態(tài)轉(zhuǎn)變階段，摩擦系數(shù)

7、高，粘著轉(zhuǎn)移嚴(yán)重。而在更高載荷時，在摩擦溫度的作用下，材料的表層粘度下降，起到潤滑劑的作用，摩擦系數(shù)小，磨損率也降低。摩擦系數(shù)與載荷的關(guān)系磨損率與載荷的關(guān)系第十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料力學(xué)實驗圖2 復(fù)合材料磨損表面及磨削形貌的SEM照片 在載荷為50N和250N時，磨損表面均裸露出大量纖維，一方面起承載作用，另一方面可阻止偶件表面微凸體對基體的切削作用，降低磨損率。 250N時，纖維因磨損逐漸變細(xì)，由于沒有基體的支撐和保護(hù)，纖維最終斷裂脫落。第十二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料力學(xué)實驗 圖3 偶件鋼試環(huán)的對磨表

8、面形貌照片 當(dāng)載荷為50N時，對磨環(huán)表面的轉(zhuǎn)移膜呈分離的、不連續(xù)的長條塊狀；當(dāng)載荷為250N時，對磨環(huán)表面形成了比較均勻而連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜。第十三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料力學(xué)實驗 1 ) CCFMCPA復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量、沖擊強(qiáng)度和平面剪切強(qiáng)度隨碳纖維含量的增加而提高。結(jié)論： 2 ) CCFMCPA復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損量隨著載荷的增加而降低。 3 ) CCFMCPA復(fù)合材料其磨損機(jī)制主要是磨粒磨損和粘著磨損。第十四張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月三維編織碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料 短碳纖維復(fù)合材料加工性好，長碳纖維復(fù)合材料則具有較

9、好的力學(xué)性能。而三維編織復(fù)合材料具有整體性和力學(xué)結(jié)構(gòu)合理兩大特點(diǎn)。三維編織復(fù)合材料作為一種結(jié)構(gòu)與功能完美結(jié)合的先進(jìn)紡織復(fù)合材料越來越受到人們的重視。 由于其異型件一次編織成型，纖維貫穿材料的三個方向形成三維整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以從根本上解決了傳統(tǒng)復(fù)合材料沿厚度方向的剛度和強(qiáng)度性能較差，面內(nèi)剪切和層間剪切強(qiáng)度低，易分層且沖擊韌性和損傷容限低等缺點(diǎn)。第十五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月三維編織碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料 美國ABMaeander等通過實驗證明了三維編織物能夠大幅度提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度這一事實。正是基于這些優(yōu)點(diǎn)，C3DPA復(fù)合材料必將擁有廣闊的發(fā)展前景。第十六張，PPT共三十

10、六頁，創(chuàng)作于2022年6月C3DPA復(fù)合材料的合成工藝 傳統(tǒng)熱塑性復(fù)合材料合成方法有兩種，預(yù)先浸漬法和后浸漬法。 這兩種方法各有利弊，預(yù)先浸漬法在加工前即已達(dá)到成品形狀，其缺點(diǎn)是不易形成復(fù)雜形狀的制品且浸漬液的揮發(fā)和回收費(fèi)用高，容易造成環(huán)境污染； 后浸漬法采用纖維混編或?qū)⒎蹱罨w材料與增強(qiáng)纖維共混熱壓，較之預(yù)先浸漬法容易形成形狀復(fù)雜的制品，但成型過程中極易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。1、后浸漬法與三維整體編織技術(shù)：第十七張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月C3DPA復(fù)合材料的合成工藝 后浸漬法將纖維狀熱塑性聚合物與增強(qiáng)纖維共混編織或粉狀熱塑性聚合物與增強(qiáng)纖維混合后，加熱至聚合物熔點(diǎn)以上的溫度，保壓成型，

11、其實質(zhì)亦是以聚合物熔體浸漬纖維。 WenShyong Kuo采用后浸漬及兩步編織法制得C3DPA復(fù)合材料，并對其力學(xué)性能和破壞形式作了研究，認(rèn)為控制合適的熔融溫度和保壓時間對其性能的影響十分明顯。 Mitsugu Todo等亦以整體編織技術(shù)制備并研究了C3D增強(qiáng)PA及改性尼龍( PA)復(fù)合材料拉伸破壞行為。第十八張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月C3DPA復(fù)合材料的合成工藝 天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所研究的“三維異型整體編織工藝的研究和三維編織設(shè)備及織物的研制”項目，已獲國家科技進(jìn)步二等獎。 吳曉青等的研究表明，采用三維整體編織方法成形的熱塑性復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比國外采用注射成型法熱塑

12、性復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度高1.5倍。這說明三維整體編織技術(shù)是制備C3DPA復(fù)合材料的一種可行方法。第十九張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月C3DPA復(fù)合材料的合成工藝 但目前，國內(nèi)尚未有以此技術(shù)進(jìn)行C3DPA復(fù)合材料制備的報道。由于三維整體編織所制得的材料是預(yù)制件而不是最終產(chǎn)品，要形成復(fù)合材料還必需注入基體復(fù)合固化，工藝較為復(fù)雜。 2、液態(tài)原位縮聚與靜態(tài)澆鑄法： 樹脂傳遞模塑(RTM)工藝是三維編織復(fù)合材料最適宜的制備技術(shù)，然而RTM 對基體的要求苛刻(如粘度，固化時間等)，使得三維編織復(fù)合材料的基體僅限于一些低粘度的熱固性聚合物，嚴(yán)重制約了三維編織復(fù)合材料的快速發(fā)展。第二十張，PPT共三

13、十六頁，創(chuàng)作于2022年6月C3DPA復(fù)合材料的合成工藝 PA6熔體的粘度較高，流動性差，因此與三維編織體浸潤不好。但其單體具有較低粘度，理論上我們可以采用液態(tài)原位縮聚法合成C3DPA復(fù)合材料。 所謂液態(tài)原位縮聚，是指基體材料在小分子狀態(tài)下與增強(qiáng)材料充分浸潤，然后樹脂基體在增強(qiáng)體表面聚合。進(jìn)行了這方面的一些研究后，所制得的C3DPA復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、模量與人體皮質(zhì)骨相當(dāng)。第二十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月C3DPA復(fù)合材料的合成工藝 靜態(tài)澆鑄法操作方便、工藝簡單，在制備小型件時較為方便，但對于大型件或形狀復(fù)雜件則不太適合。 這是由于單體活性料對溫度、水分均很敏感，活性料對纖維

14、編織體的浸潤需要一定時間。 如長時間保持低溫，則活性料極易失效；如提高澆鑄溫度，活性料粘度迅速上升，不易充分浸潤纖維。第二十二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月C3DPA復(fù)合材料的合成工藝 反應(yīng)注射成型(RIM)技術(shù)，首先被Bayer用以合成聚氨酯。隨后，又提出尼龍RIM 合成體系以改進(jìn)聚氨酯的缺點(diǎn)，機(jī)械強(qiáng)度不足、耐熱性及流動性差等。 因此，國外研究人員提出了更有效的制備C3DPA復(fù)合材料的方法，即反應(yīng)注射成型技術(shù)。3、反應(yīng)注射成型技術(shù) 1981年美國Monsando公司發(fā)表了以汽車外身件為目標(biāo)的尼龍反應(yīng)注射成形體系。第二十三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月C3DPA復(fù)合材料

15、的合成工藝 此后不久日本Sumitomo Rubber公司的Osaka成功地通過RIM技術(shù)合成出長碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料。通過向預(yù)先鋪好長碳纖維的模具中注入低粘度的熔融己內(nèi)酰胺單體，使得己內(nèi)酰胺單體在模具中于纖維表面聚合成尼龍大分子，有效地克服了熱塑性材料熔體粘度高，不易流動這一障礙。 RIM 法，利用液態(tài)原位聚合原理，使尼龍基體與碳纖維很好地浸潤，且由于有真空及壓力輔助，使得大型件及形狀復(fù)雜的中空制件的合成變得可行，是制備C3DPA復(fù)合材料較為合適的方法。Sumitomo Rubber公司正準(zhǔn)備將這一技術(shù)應(yīng)用到需求廣泛的體育器材及汽車組件領(lǐng)域中。第二十四張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年

16、6月C3DPA復(fù)合材料的合成工藝 TYamaguchi等分別將玻纖增強(qiáng)與碳纖增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料與RIM 尼龍基復(fù)合材料進(jìn)行了比較，并得出碳纖增強(qiáng)RIM 尼龍復(fù)合材料具有比其它材料更優(yōu)良的綜合性能的結(jié)論 。 TYamaguchi等在實驗的基礎(chǔ)上，通過RIM 技術(shù)制得由C3DPA復(fù)合材料構(gòu)成的中空網(wǎng)球拍，這種球拍強(qiáng)度、硬度與同密度的環(huán)氧復(fù)合材料球拍相當(dāng)甚至更高。在1570N的作用力下，能承受90萬次的沖擊測試，其減震性能優(yōu)于同密度的環(huán)氧基復(fù)合材料 。第二十五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月C3D/PA6復(fù)合材料工藝特點(diǎn)及影響因素 由于纖維編織物是由碳纖維成束編織而成，纖維結(jié)構(gòu)緊湊，纖維與

17、纖維之間排列緊密，孔隙較小，這給PA6C3D復(fù)合材料的制備帶來困難。C3D/PA6復(fù)合材料工藝特點(diǎn): 經(jīng)初步探索，采用催化劑用量較低的活性料配比進(jìn)行澆注，模具的預(yù)熱溫度采用(1505) ，可獲得基體致密的PA6C3D復(fù)合材料。第二十六張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月C3D/PA6復(fù)合材料工藝特點(diǎn)及影響因素纖維體積分?jǐn)?shù)的影響模具預(yù)熱溫度的影響催化劑用量的影響纖維表面狀態(tài)的影響影響因素：第二十七張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月PA6C3D復(fù)合材料熱機(jī)械性能分析PA6及其復(fù)合材料的儲能模量隨溫度變化曲線第二十八張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月PA6C3D復(fù)合材料熱機(jī)械性

18、能分析 由于三維編織是多根紗線同時參加編織，并且多根紗線在編織過程中都按一定的規(guī)律運(yùn)動，從而相互交織在一起，形成一個三維整體網(wǎng)狀骨架，而三維骨架中紗線的取向決定了復(fù)合材料的承載主方向。 因此PA6C3D復(fù)合材料比PA6、PA6CL復(fù)合材料更適合于制作結(jié)構(gòu)件。第二十九張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月PA6C3D復(fù)合材料熱機(jī)械性能分析PA6及其復(fù)合材料的log( tan )隨溫度變化曲線log(tan)的最高拐點(diǎn)所對應(yīng)的溫度為其相應(yīng)的Tg, ，三者分別為50.7、40.1、50.0，可以認(rèn)為三維編織碳纖維與PA6基體復(fù)合后，兩者之間存在很強(qiáng)的相互作用，從而形成了良好的結(jié)合界面，對PA6體系非晶區(qū)主鏈的運(yùn)動并不造成多大的阻撓，因此Tg基本保持不變。第三十張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月PA6C3D復(fù)合材料熱機(jī)械性能分析 (1)用三維編織碳纖維作增強(qiáng)體的尼龍6復(fù)合材料的熱強(qiáng)度比尼龍6提高437倍以上。結(jié)論： (2)用三維編織碳纖維作增強(qiáng)體的尼龍6復(fù)合材料在加熱條件下基體非晶區(qū)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度基本上保持不變。 (3)在加熱情況下，三維編織碳纖維增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于長碳纖維增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料。第三十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月應(yīng)