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分析碳纤维增强尼龙复合材料的发展前景

发表时间:2019-03-15 15:44

增强尼龙是一种常用的工程塑料,它是聚酰胺纤维(锦纶)的一种说法,英文名称Polyamide(简称PA),其基本组成物质是通过酰胺键(一NHCO一)连接起来的脂肪族聚酰胺。上世纪50年代美国杜邦公司开始对其进行工业化生产,60年代后发展起来的铸型尼龙(MCPA)合成技术将尼龙的使用推上了一个新的台阶。尼龙本身具有良好的综合性能,如力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性等都比较优异,但其吸湿性大,制品尺寸稳定性差,强度和硬度也远远不如金属。为克服这些缺点,早在上世纪七十年代左右,人们就采用玻璃纤维和其它填料填充以改善其性能从而扩大其应用范围。例如在PA中加入阻燃剂以提高其阻燃性质、在PA中加入炭黑等吸收紫外线的助剂增加其耐候性以及加入30%的玻璃纤维(GF)使其力学性能、耐热性、耐老化性能得到明显提高等。


碳纤维(简称CF)是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料,微观结构类似人造石墨,是乱层石墨结构。它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性。其优良性能包括:轴向强度和模量高,密度低、比性能高、无蠕变,非氧化环境渣耐超高温,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小且具有各向异性,耐腐蚀性好,X射线透过性好,良好的导电导热性能等。碳纤维的杨氏模量是玻璃纤维的3倍多,是凯拉夫纤维的2倍左右,且碳纤维在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐腐蚀性突出。




基于以上背景下,因之尼龙和碳纤维都是工程塑料领域性能优异的材料,其复合材料将其二者优越性能更好地综合体现出来,所以用碳纤维增强尼龙材料比用玻璃纤维增强尼龙材料使其性能提升更加显著。


发展现状


碳纤维增强尼龙(CF/PA)复合材料近年来发展很快。目前国内外碳纤维增强尼龙复合材料主要是以短切或长碳纤维增强PA-6、PA-66等基体。


就不同碳纤维形态对应的改性方法而言,短碳纤维复合材料加工性能好,长碳纤维复合材料则具有较好的力学性能。而三维编织碳纤维复合材料具有整体性和力学结构合理俩大特点。例如对于尼龙-6,长碳纤维增强尼龙-6(PA-6/CL)是当前比较常用的一种尼龙6改性增强方法,该方法操作简单,成本低,产品性能好。而三维编织碳纤维增强尼龙-6(PA-6/C3D)更为先进。在同等情况下分别加入到尼龙-6中所得俩种复合材料储能模量均有较大提高,但加入三维编织碳纤维的储能模量比另一种还提高一倍以上。另外从热强度及玻璃化转变温度方面考虑,三维编织碳纤维增强尼龙-6复合材料也要优于长碳纤维增强尼龙-6。但三维编织碳纤维增强尼龙改性方法操作复杂,成本也较高。


因此,长碳纤维增强尼龙复合材料在加工上完善成型工艺、短碳纤维增强尼龙复合材料进一步提高力学性能、三维编织碳纤维增强尼龙复合材料谋得低成本但保证高质量化生产是碳纤维增强尼龙复合材料发展方向之一。


关于碳纤维增强尼龙复合材料力学性能的影响因素,其一在于碳纤维及尼龙基体本身的力学性能;其二在于碳纤维和尼龙的界面结合程度;其三在于碳纤维在尼龙基体的分布以及碳纤维在尼龙中的长度。而控制界面结合强度的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,许多研究都是基于此点进行的。如先将碳纤维磨碎,再对其进行硝酸预处理,使碳纤维表面产生含氧官能团,然后再氨基功能化,采用溶液共混法使其混入尼龙-6中,制备得到相应复合材料,其性能得到极大提升。另外也有研究表明对于用碳纤维增强不同相对粘度的尼龙-6复合材料,其性能提升也有很大差异,其中相对粘度低的尼龙-6所得到的复合材料其拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量性能提升更为显著。


由此可见,对于碳纤维增强尼龙复合材料的发展而言,亦可以从基体材料其他性质来进行考虑,以期达到进一步提升复合材料性能的目的。


人们对于碳纤维复合材料的加工方法也有许多研究,使其得到了由预浸树脂到模塑法加工,从短纤维掺混塑料注射加工法到模压成型加工的发展。进而在碳纤维复合材料制备方面积累了很多成功经验。当碳纤维质量分数不一样时,其颗粒适宜成型温度及注塑压力等也有所不同。基于该种条件,运用模拟参数法来制得试样并对所得试样进行性能分析从而为该种复合材料成型工艺条件等提供理论依据,使其在产业中的运用得到进一步发展。


目前碳纤维增强尼龙的应用领域主要包括以下几个方面:汽车工业领域(如燃料箱及其附件等)、国防工业领域(如火箭弹弹尾、导弹发动机部件和火箭筒筒体等)、航空航天领域(如飞机发动机部件等)和文体用品领域(如碳纤维增强尼龙材料自行车轮等)。由此可见其应用范围广泛,发展状况良好。




未来发展趋势


虽然该种材料目前应用范围广泛,但因为其成本还是较高,产品价格比较昂贵,目前更多是应用于国防军工领域及小众化领域,还不能广泛大众化。在降低成本及大规模生产化方面仍有很长的路要走。另外在于对新型材料的研究方面也应当有所考虑,比如近来新推出的长丝碳纤维增强尼龙-12复合材料,此款材料在尼龙-12中加入35%的长丝碳纤维,其强度可媲美金属材质。可不必拘泥于传统的尼龙-6和尼龙-66材料。另外就是对碳纤维进行多方研究及扩大其生产,制备得更高性能的碳纤维并降低其成本。


综上来说,碳纤维增强尼龙复合材料性能优异,未来前景良好,在未来某一天普遍为民众所使用亦非一个遥不可及的梦。


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