碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备与可展开性能研究

作     者：马心旗 

作者单位：河南工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴海宏;郭正民

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 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：CF/PEEK 上浆剂 力学性能 非对称铺层 可展开 人形杆 

摘      要：碳纤维增强热塑性(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic,CFRTP)复合材料具备高韧性、较短的成型周期、可焊接性和可回收性等优点。在航空航天和其他工业领域的应用中显示出巨大的潜力。目前,国内外众多研究人员已经在CFRTP复合材料领域进行了大量研究,并且取得一定的成果。聚醚醚酮(Poly-ether-ether-ketone,PEEK)是一种具有优异性能的热塑性材料,碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)被认为是主要的高性能热塑性复合材料之一,受到了广泛的关注。但由于CF和PEEK表面是惰性的,不会发生化学键合,且PEEK具有较高的熔点和熔融粘度,导致CF/PEEK复合材料在工程中的应用受到了阻碍。目前研究的主要是关于CF/PEEK的制备和力学性能,对其可展开性能研究十分匮乏。为了推动CF/PEEK复合材料在航空航天、医疗等领域的工程应用,本文以CF/PEEK复合材料为研究对象,采用模压成型工艺制备单向层合板,对其力学性能进行了测试。基于非对称铺层产生内应力的机理,制备了不同铺层方式的层合板和人形杆,并对其进行研究与表征。主要的研究内容包括以下几个方面:(1)设计研制了碳纤维宽展-上浆一体化实验平台,为改善CF/PEEK复合材料中的界面相互作用,配置了上浆剂。并对宽展-上浆后的碳纤维单向带的静态接触角、热性能、表面微观形貌和拉伸性能进行测试与表征。(2)对CF/PEEK复合材料的成型工艺进行了研究,通过对PEEK薄膜进行差示扫描量热法分析,并结合理论以及大量实验数据,确定CF/PEEK的成型工艺参数。然后,将碳纤维单向带与PEEK薄膜进行编织,形成CF/PEEK复合材料编织布,采用真空模压成型工艺制备单向层合板,并对其进行拉伸和弯曲性能测试。最后,通过二次成型的方法完成了CF/PEEK复合材料碟形弹簧的制备。(3)对非对称铺层导致复合材料层合板弯曲变形的机理进行了研究,并通过模压成型工艺制备不同铺层厚度和铺层方式的CF/PEEK复合材料层合板,对其弯曲曲率半径和在不同温度场下展开行为进行了测试与表征。基于此,设计了可展开抓手并完成抓取实验,验证了非对称铺层在可展开结构应用的可行性。(4)采用超薄CF/PEEK进行薄膜叠层和非对称铺层设计,模压工艺制备复合材料人形杆,讨论了不同的铺层方式对人形杆法兰区变形曲率的影响机制,通过折叠弯曲实验,得到了人形杆的弯曲力-曲率曲线,验证了采用非对称铺层制备碳纤维复合材料人形杆的可行性。