碳纤维增强热塑性复合材料几种常见的界面改性方法

2019-06-28

碳纤维增强聚醚醚酮( PEEK) 、聚苯硫醚( PPS) 、热塑性聚酰亚胺(TPI) 、聚醚砜( PES) 等高性能热塑性复合材料具有耐热性高、耐腐蚀性好、高强度、高韧性、可回收再利用等优势,相比于热固性碳纤维增强树脂基复合材料,其在轨道交通、航天航空、国防军工、机器人以及高端医疗等领域具有更加广阔的应用前景。在实际应用中,有很多因素都会影响到热塑性碳纤维复合材料的性能表现,其中碳纤维与热塑性树脂之间的界面情况就是重要因素之一。

 

 

 

碳纤维热塑性复合材料界面改性的意义:

 

复合材料界面是纤维与树脂基体之间通过一系列的物理、化学作用形成的第三相。其中,高性能热塑性树脂作为连续相,碳纤维作为增强相,它们两者之间通过界面层结合。界面相作为纤维与树脂间应力传递的纽带,直接影响到内部应力的传递和分散,损伤的传播和抑制对复合材料整体性能起着决定性作用。

 

 

 

另外,碳纤维与树脂基体自身的物理、化学性质对碳纤维复合材料界面微结构的形成以及界面性能也有重要的影响。碳纤维表面光滑、化学惰性大、表面能低,难以与树脂产生有效的界面结合作用。因此,对碳纤维进行表面处理是十分必要的。目前,碳纤维的表面处理方法主要是优化和设计调控碳纤维表面活性化学基团、表面形貌,增加碳纤维的化学活性、表面粗糙度及表面自由能,从而改善碳纤维与树脂基体间的化学键合作用、机械啮合作用以及碳纤维与高性能热塑性树脂间的浸润性,进而提高复合材料的界面黏结性能。

 

 

 

碳纤维热塑性复合材料界面改性的常见方法:

 

有关碳纤维增强热塑性复合材料的界面改性方法有碳纤维表面改性法、增容改性法、界面结晶调控法等,这些方法均可有效改善碳纤维增强热塑性复合材料的界面性能。

 

1.  增容剂法

增容剂是指借助分子间化学或者物理作用,促使两种原本并不相容的物质能够较好地结合在一起的助剂。热塑性树脂黏度大,与碳纤维的浸润性差,可以基于“相似相容”原理,采用增容剂对热塑性树脂基体进行改性,增加碳纤维与树脂基体之间的相容性。除此之外,增容剂还可以增加碳纤维与树脂间的界面化学键合作用,使之形成稳定的界面结构,从而提高复合材料的界面黏结强度。

 

2.  结晶行为调控法

热塑性聚合物的结晶行为对复合材料界面性能也有显著的影响,例如,复合材料界面区域的横晶尺寸、核密度、结晶度都会影响到复合材料的界面性能。在复合材料界面区域,结晶性树脂基体往往会形成横晶层。通过对复合材料成型过程中的冷却、退火等工艺进行调整,就能有效控制纤维表面附近树脂基体的结晶行为,进而提高复合材料的界面黏结强度。此法的原理是增强纤维表面对树脂基体产生的结晶效应,在纤维的表面附近形成横晶,而横晶可以加强树脂基体与增强纤维之间的界面黏结。

 

3.  碳纤维表面改性法

碳纤维表面改性能够在碳纤维表面引入化学活性基团和纳米增强颗粒,通过提高碳纤维的表面化学活性、表面可浸润性、表面粗糙度,改善树脂基体与碳纤维的结合力,最终提高复合材料的界面性能。常见的表面改性方法有上浆剂法、纳米微粒改性法、表面氧化法、等离子体处理法等。


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