羅金亮，阮芳濤，徐珍珍，錢思琦，侯大寅

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基于纖維包覆法制備碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料

羅金亮，阮芳濤，徐珍珍，錢思琦，侯大寅*

（安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

采用熱塑性長絲包覆碳纖維束和熱壓法制備單向碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，測(cè)試了試樣的拉伸和沖擊性能，研究了長絲包覆在樹脂浸潤過程中縮短流程的作用。同時(shí)，采用了多向包覆法制備了聚酯/芳綸長絲包覆碳纖維束并得到單向碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，包覆芳綸進(jìn)一步提高了熱塑性復(fù)合材料的力學(xué)性能，結(jié)果表明：和碳纖維增強(qiáng)聚酯復(fù)合材料相比，芳綸/碳纖維增強(qiáng)聚酯復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度增加了22.8%和49.5%，沖擊強(qiáng)度增加了65.8%和45.6%。

包覆碳纖維束；拉伸；沖擊；樹脂浸潤；力學(xué)性能

0 引言

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料（CCFRTP）具有較好的斷裂韌性，耐損傷容限和抗沖擊性，可循環(huán)利用并且生產(chǎn)周期短，近年來已經(jīng)成為了復(fù)合材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1,2]。發(fā)展合適的成型加工工藝是擴(kuò)大CCFRTP應(yīng)用的關(guān)鍵，目前，制備CCFRTP的成型工藝包括熱壓罐、拉擠成型、纏繞成型等傳統(tǒng)成型工藝和超聲波固結(jié)、電子束固結(jié)、真空輔助成型等新型成型技術(shù)[3]，大部分的成型方法基本原理是將熱塑性樹脂進(jìn)行融熔，然后與碳纖維進(jìn)行浸漬，由于熱塑性樹脂的加工溫度高，熔融粘度大，使得其與碳纖維的浸漬困難，浸潤界面性能較差。為了讓增強(qiáng)碳纖維獲得較好的浸潤，最直接的辦法就是縮短浸漬流程，基于該原理的成型方法有樹脂薄膜疊層，粉末浸漬法，樹脂溶解法，混纖法等。阮寅春[4]等采用將碳纖維織物和PPS樹脂薄膜制備成干態(tài)預(yù)浸料，然后將多層預(yù)浸料疊合層鋪于熱壓模具中得到復(fù)合材料層壓板，較高的壓力可以提高樹脂和纖維的浸潤性，但同時(shí)也會(huì)引起纖維的屈曲，可以采用逐級(jí)加壓的方法進(jìn)行克服。徐安長[5]等人將PEEK等樹脂在DMF溶液中溶解，然后將碳纖維束置于低粘度的溶液中浸漬，去除溶劑后干燥制備得到預(yù)浸料，再經(jīng)過熱壓工藝即可得到層壓板，這種方法在預(yù)浸料的制備過程中溶劑需要完全去除，以避免產(chǎn)生孔隙。張寶艷[6]等人采用共編紗制備了熱塑性復(fù)合材料，研究了纖維種類和絲束大小對(duì)復(fù)合材料浸潤效果和空隙含量的影響，結(jié)果表明，增強(qiáng)纖維絲束越小，浸潤效果越好。混合編織法容易造成增強(qiáng)纖維束產(chǎn)生屈曲，不能保持線性，影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。

本研究通過纖維包覆法制備了聚酯（PET）長絲包覆碳纖維束（CCF），以聚酯樹脂作為基體，碳纖維作為增強(qiáng)材料，制備得到了碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，并采用多向包覆法制備了芳綸（AF）長絲包覆碳纖維復(fù)合材料，研究了芳綸包覆對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及設(shè)備

碳纖維MT300C-3K，河南永煤碳纖維有限公司；聚酯長絲，直徑為0.3mm，東莞博蒂斯新材料公司；14芳綸，浙江軒泰新材料有限公司；平板硫化機(jī)，XLB-D75，青島科高橡塑料機(jī)械技術(shù)裝備有限公司；纖維包覆機(jī)，課題組自主研發(fā)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 包覆碳纖維的制備

包覆裝置的核心部分為旋轉(zhuǎn)套筒，在套筒周圍安裝有多個(gè)紗線管，紗線管上可以安放各類紗線。制備開始時(shí)，首先將碳纖維束穿過空心套筒并固定在收集裝置上，再將長絲綁于碳纖維束上，利用馬達(dá)帶動(dòng)套筒和紗線管繞套筒中心旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，碳纖維束隨著收集裝置往上運(yùn)動(dòng)，制備成長絲包覆碳纖維束。圖1為長絲纏繞包覆碳纖維的過程示意圖，采用放置聚酯長絲的單個(gè)紗線管進(jìn)行纏繞時(shí)，制備得到PET/CCF纖維束；采用分別放置聚酯長絲和芳綸長絲的兩個(gè)紗線管進(jìn)行纏繞包覆時(shí)，得到AF1/PET/CCF纖維束；當(dāng)采用放置芳綸長絲的兩個(gè)紗線管和一個(gè)放置聚酯長絲的紗線管進(jìn)行纏繞包覆時(shí)，得到AF2/PET/CCF纖維束。長絲包覆過程中，碳纖維的上升速度和纏繞長絲旋轉(zhuǎn)的速度比為1：3.5。

1.2.2 單向復(fù)合材料的制備

將長絲包覆碳纖維纖維束均勻的卷繞于直徑為15cm的塑料圓筒上，卷繞密度為2束/mm，寬度為15cm，并沿圓筒最大直徑兩側(cè)用雙面膠將纖維固定，然后將雙面膠從中間切開，得到兩塊尺寸約為15×25cm的長方形單向纖維布。

再將四塊單向纖維布疊合置于熱壓板上，采用平板硫化儀將其熱壓制備成單向碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。熱壓復(fù)合的溫度為260℃，壓力5MPa，熱壓時(shí)間7min，保壓時(shí)間8h，復(fù)合材料的制備過程如圖2所示。

圖1 長絲纏繞包覆過程示意圖

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 拉伸測(cè)試

拉伸測(cè)試按照GB/T 3354-2014標(biāo)準(zhǔn)[7]，在WCW-20電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行（濟(jì)南天辰試驗(yàn)機(jī)制造有限公司）。

1.3.2 沖擊測(cè)試

沖擊測(cè)試按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3356-2014[8]，在XJJ-50S簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行（濟(jì)南恒思盛大儀器有限公司），擺錘的預(yù)仰角為160°，擺錘能量為7.5J。

1.3.3 SEM觀測(cè)

將測(cè)試后試樣進(jìn)行打磨，噴金，采用S-4800掃描電子顯微鏡觀察纖維浸潤情況及斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能研究

碳纖維增強(qiáng)聚酯、芳綸長絲單向包覆碳纖維增強(qiáng)聚酯及芳綸長絲雙向包覆碳纖維增強(qiáng)聚酯的拉伸強(qiáng)度見圖2。芳綸長絲單向包覆使得碳纖維增強(qiáng)聚酯的拉伸強(qiáng)度從326.4MPa提升到了400.8MPa，提升幅度為22.8%，芳綸長絲雙向包覆碳纖維增強(qiáng)聚酯的拉伸強(qiáng)度為488.0MPa，和未包覆芳綸的試樣相比，拉伸強(qiáng)度提升了49.5%。在各類的試樣制備過程中，保持碳纖維在復(fù)合材料中的含量都一樣，單向布的密度為2束/mm，可以排除碳纖維體積含量對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響。因此，包覆芳綸能夠提升復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，芳綸是一類高性能纖維，也具有較高的拉伸強(qiáng)度。根據(jù)復(fù)合材料的混合定律，復(fù)合材料的強(qiáng)度也會(huì)得以提升。和熱塑性纖維與碳纖維進(jìn)行機(jī)織等混織不同的是，采用芳綸和聚酯長絲相互纏繞包覆碳纖維，一方面可以縮短聚酯樹脂對(duì)碳纖維及芳綸的浸漬流程，使復(fù)合材料中的各組分可以更好的形成浸潤界面；另一方面，在制備包覆碳纖維的過程中，聚酯和芳綸長絲為屈曲旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，作為增強(qiáng)相的始終保持碳纖維為線形豎直狀態(tài)，因此可以保持較好的力學(xué)性能。

圖2 不同復(fù)合材料試樣的拉伸強(qiáng)度

圖3 不同復(fù)合材料試樣的沖擊強(qiáng)度

2.2 沖擊性能研究

圖3為不同復(fù)合材料試樣的沖擊強(qiáng)度，和未包覆芳綸的試樣相比，包覆芳綸試樣的沖擊強(qiáng)度有了大幅度的提升。其中，AF1/PET/CCF的沖擊強(qiáng)度提升幅度達(dá)65.8%，AF2/PET/CCF的沖擊強(qiáng)度提升幅度為45.6%。碳纖維是一種由片狀石墨微晶沿纖維軸向方向堆砌而成的高強(qiáng)高模纖維，但其力學(xué)性能具有方向性，在拉伸方向的強(qiáng)度和模量較高，但是抗剪切性能較差，因此，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗沖擊性能是比較差的，而包覆芳綸在一定程度上可以阻止碳纖維在橫向上的破壞，從而提高碳纖維復(fù)合材料的沖擊性能。從理論上講，包覆的層數(shù)越多，其阻止碳纖橫向破壞的能力越大，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，包覆兩層芳綸之后，其沖擊強(qiáng)度提升的幅度沒有包覆一層芳綸的試樣高。圖4為不同試樣的沖擊破壞斷面SEM圖，從圖4（a）可以看出，滌綸包覆碳纖維復(fù)合材料界面浸潤性較好，但是，(a)與(b)的對(duì)比中可以看出包覆芳綸之后，界面融合的不是很均勻，(a)圖的樹脂殘留量較(b)明顯多一點(diǎn)，從(c)圖的中看芳綸表面的聚酯樹脂很少，浸潤性太差，導(dǎo)致不能有效的起到承接應(yīng)力的作用，芳綸量的增加導(dǎo)致整體樹脂浸潤性降低，使得滌綸與兩層芳綸包覆碳纖維復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度增加幅度降低。

圖4 沖擊破壞試樣的斷面SEM圖

3 結(jié)論

本研究通過纖維纏繞包覆和熱壓法制備了性能優(yōu)異的單向碳纖維增強(qiáng)聚酯復(fù)合材料，并且采用芳綸長絲包覆進(jìn)一步提升了復(fù)合材料的力學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）芳綸長絲包覆可以提升碳纖維增強(qiáng)聚酯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，其中一層芳綸包覆提升幅度為22.8%，二層芳綸包覆可以提升49.5%，符合復(fù)合材料的復(fù)合規(guī)律；

（2）芳綸長絲包覆可以阻止碳纖維在橫向上的剪切等破壞，從而提高碳纖維復(fù)合材料的沖擊性能，一層芳綸包覆提升幅度為65.8%，二層芳綸包覆可以提升45.6%；

（3）采用包覆法可以縮短熱塑性樹脂和碳纖維之間的浸漬熔程，因此碳纖維和聚酯樹脂間的浸潤性較好，但是，選用的芳綸長絲和聚酯的界面結(jié)合性能太差，導(dǎo)致芳綸包覆量的增加，材料的沖擊性能反而下降。

[1] 孫銀寶，李宏福，張博明．連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料研發(fā)與應(yīng)用進(jìn)展[J]．航空科學(xué)技術(shù)，2016，27(5)：1-7．

[2] Friedrich K．Carbon fiber reinforced thermoplastic composites for future automotive applications[J]．2016，1736(1)：193-203．

[3] 于天淼，高華兵，王寶銘，等．碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料成型工藝的研究進(jìn)展[J]．工程塑料應(yīng)用，2018，(4)．

[4] 阮春寅，丁江平，張翼鵬，等．碳纖維織物增強(qiáng)聚苯硫醚復(fù)合材料的制備及性能[J]．材料導(dǎo)報(bào)， 2012，26(14)：77-81．

[5] Xu A，Bao L，Nishida M，et al． Molding of PBO fabric reinforced thermoplastic composite to achieve high fiber volume fraction[J]．Polymer Composites，2013，34(6)：953-958．

[6] 張寶艷，邊俊形，陳祥寶，等．用共編紗制備熱塑性復(fù)合材料[J]．復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2003，20(3)：17-21．

[7] GB/T3354-2014，定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法[S]．

[8] GB/T3356-2014，定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料彎曲性能試驗(yàn)方法[S]．

Preparation of carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Composites Based on Fiber Coating Method

LUO Jin-liang, RUAN Fang-tao, XU Zhen-zhen, QIAN Si-qi, HOU Da-yin

（College of Textile and Garment，Anhui Polytechnic University, Wuhu Anhui 241000, China）

The unidirectional carbon filament reinforced composites were prepared by thermoplastic filament coated carbon fiber bundle and hot-pressed method. The tensile and impact properties of the composites were tested and the role of filament coating in shortening the process of resin infiltration was studied. At the same time, polyester/aramid filament coated carbon fiber bundle was prepared by multidirectional coating method and unidirectional carbon fiber reinforced composite was obtained. The mechanical properties of thermoplastic composite were further improved by coating aramid fiber. Compared with carbon fiber reinforced polyester composites, the tensile strength of aramid fiber / carbon fiber reinforced polyester composites increased by 22.8% and 49.5% .the impact strength increased by 65.8% and 45.6%.

coated carbon fiber bundle; tensile ; impact; resin infiltration; mechanical properties

侯大寅（1962-），男，教授，研究方向：通用航空用三維結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料制備及力學(xué)性能.

安徽省自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（KJ2017ZD13）；安徽工程大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金（2016YQQ018）.

TB332

A

2095－414X(2019)02－0012－04