汽车燃油系统用导电塑料及其注塑成型工艺的研究

作     者：孙兴志 

作者单位：河南工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴海宏

授予年度：2014年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：汽车燃油系统 碳纤维 表面处理 碳纳米管复合上浆剂 注塑工艺 

摘      要：随着国民经济的飞速发展，汽车工业的发展状况已成为国家现代文明和科技水平高低的一个重要标志之一。随着技术的进步，汽车及相关行业的发展在对社会做出贡献的同时，也对社会能源供给、环境保护等方面产生了严重的影响，在节能减排趋势的推动下，汽车结构的轻量化成为当今汽车工业发展的趋势，使用塑料等轻量化材料可以在减轻汽车自重的同时，又能保证汽车行驶的安全性及经济性。 本文以汽车燃油系统中滤清器为研究对象，以碳纤维增强聚碳酸酯为材料体系，探索满足美国汽车工程学会（SAE）燃油系统标准的导电聚合物复合材料的制备及其注塑成型工艺对产品性能的影响。本文采用熔融共混法制备碳纤维增强聚碳酸酯（CF/PC）复合材料。为了提高碳纤维与聚合物基体的界面结合力，研究了碳纤维不同表面处理方法对复合材料微观结构影响，并测定了复合材料注塑试样的力学性能以及成型工艺性能。为了进一步分析复合材料对燃油滤清器注塑成型工艺的适应性，采用CAE分析技术对该材料制造的燃油滤清器的注塑成型工艺进行了仿真模拟，对其性能进行预测。研究结果表明： 1.通过对碳纤维进行气相氧化处理，并分析复合材料的力学性能。在500℃时氧化1h试样的拉伸强度最好，和未处理的碳纤维复合材料相比，拉伸强度要提高13.3%，拉伸模量提高了8.9%。 2.对碳纤维进行硝酸处理，随着处理时间的延长，碳纤维表面沟壑加深，与基体树脂结合力增大，但是处理时间过长会导致纤维表面发生严重损伤，使复合材料的力学性能降低。经研究发现，硝酸处理5h时CF/PC复合材料拉伸强度和拉伸模量最高，和未处理的试样相比，分别提高了23%和16.9%，达到90.8MPa和6945MPa。 3.对碳纤维表面进行硝酸预氧化后再使用偶联剂处理，试样的拉伸强度有了明显的提高。使用浓度为1%配置的偶联剂的水溶液处理碳纤维，相比较为处理试样，其拉伸强度提高了30.2%，达到97.7MPa。 4.对碳纤维进行硝酸预氧化以及偶联剂处理后，再使用碳纳米管复合上浆剂对碳纤维进行上浆处理。和未处理的试样相比，CF/PC复合材料的力学性能提高，拉伸强度达到108.2MPa，提升了44.2%，拉伸模量达到7830MPa，提高了30.2%。同时，由于碳纳米管的搭接作用，使得复合材料的电阻率降低，为3.07×104Ω·cm，达到了防静电材料的使用要求。 5.在试样注塑成型过程中，由于剪切应力的存在，使得纤维在试样内部发生取向，同时，由于表层熔体冷却速度较次表层及芯部快，造成碳纤维在剪切应力的作用下会向次表层及芯部发生迁移。在保压压力一定的情况下，随着注塑压力的增大，试样的拉伸强度会增大，压力达到一定的值后，拉伸强度会降低，同时，由于剪切应力的增大，复合材料表面电阻率升高。在相同的注射压力下，随着保压压力的增大，试样的拉伸强度提高，电阻率呈先下降后上升趋势。这是因为，随着保压压力的增大，纤维的含量增多，电阻率下降，保压压力继续增大，剪切增强，造成纤维取向明显，不利于构成导电网络，造成电阻率升高。在相同的注射压力及保压压力下，模具温度的提高对试样的拉伸强度影响较小，试样的电阻率明显降低。 6.通过对滤清器模型进行CAE成型分析，对纤维取向进行模拟，通过对不同工艺条件下纤维取向进行分析，通过纤维的取向度来反映纤维在基体树脂中的分布状态，表征制品电阻率的变化，与样品观察取向较为一致。