悬浮液法碳纤维预制体制备及模压成型工艺研究

作     者：王嘉博 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李志刚

授予年度：2024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：碳纤维 悬浮液 分散性 碳纤维毡 力学性能 

摘      要：近年来,碳纤维增强复合材料因其轻质、高强度等特性,在工程材料中广泛应用。其中,短碳纤维增强热塑性复合材料具有低成本、易于加工、性能稳定等优势,但力学性能较低,各项性能较差。因此,为了提高其力学性能,可以通过增加纤维长度,来改善短碳纤维增强热塑性复合材料的力学性能,拓宽碳纤维复合材料的应用范围。本文研究了可将一定长度（～50 mm）的碳纤维和树脂纤维在悬浮液中分散混合的方法,制备了碳纤维增强复合材料,提高了复合材料的力学性能,同时降低成本和提高环境效益。 基于悬浮液固相混合纤维制备碳纤维复合材料的方案,本文从配置悬浮液以及纤维梳理的方式,分散混合纤维制备碳纤维增强PA6复合材料、成型工艺对复合材料的影响以及通过悬浮液制备碳纤维纸三个方面进行研究:一是配置悬浮液、通过在搅动梳理形成的紊流和超声波的共同作用下的方法,分散混合碳纤维和树脂纤维,硅烷偶联剂处理碳纤维改善其亲水性,旨在分散长度为（～50 mm）的碳纤维和PA6纤维,促进PA6树脂均匀浸渍碳纤维,提高复合材料的力学性能;二是基于碳纤维毡模压成型过程中,PA6树脂流动性较大极易被过度挤出,导致碳纤维复合材料内部出现缺陷,考虑通过高温预压-冷却高压成型工艺,高温预压促进碳纤维和PA6树脂融合,冷却至树脂处于软化还未熔融的状态模压,提高碳纤维复合材料的力学性能;三是通过悬浮液制备具有一定长度（～50 mm）的碳纤维纸,探究了不同长度的碳纤维制备碳纤维纸性能的影响。研究结果如下: 悬浮液由悬浮剂和分散剂进行复配,以悬浮液为媒介,通过搅动梳理和超声波振动将碳纤维和PA6纤维分散混合制备碳纤维增强PA6复合材料。碳纤维经KH550处理后,碳纤维表面官能团增加,改善其亲水性,降低悬浮液Zeta电位,促进纤维分散,通过力学性能可知,随着改性浓度的增加,力学性能先增加后减小,5 wt%KH550浓度性能最佳,相较于未改性处理的复合材料力学性能提高了25%以上。根据制备的不同碳纤维长度和含量的复合材料性能分析,提高碳纤维长度可以提高复合材料的力学性能,但随着碳纤维长度增加纤维分散不均匀,致使力学性能下降,随碳纤维含量的增加复合材料力学性能增加,但当碳纤维含变量超过阈值30%时性能降低,碳纤维含量增多PA6树脂含量下降,树脂浸渍不完全导致复合材料内部出现空隙,性能下降,碳纤维长度为50 mm、含量为30 wt%时力学性能最佳,拉伸、弯曲、冲击性能为(182.1 MPa,354.3MPa,67.2 k J·m-2)。 碳纤维毡在模压成型过程中,树脂流动性较大极易被过度挤出,使碳纤维发生纤维取向,碳纤维毡由各向同性转变为各向异性,导致复合材料内部出现缺陷,因此,通过高温预压-冷却高压成型工艺,高温预压促进碳纤维和PA6树脂融合,冷却至PA6树脂处于软化未熔融的状态模压,树脂不会过度挤出,保留了碳纤维之间相互勾连状态,提高复合材料的致密性。 通过悬浮液将具有一定长度（～50 mm）的碳纤维和PA6纤维加工成蓬松的多孔结构,热压成型制备碳纤维纸,探究了成型工艺、PA6树脂含量、碳纤维长度对性能的影响。探究了成型压力和成型温度对碳纤维纸导电性能的影响,通过微观形貌发现成型压力和温度会影响PA6树脂对碳纤维的粘接效果进而影响导电性能,对PA6含量和碳纤维长度进行分析,随着PA6含量的增加拉伸强度呈线性增加,电导率先增加后减小,适量的PA6可提高碳纤维纸的连接性,碳纤维长度的增加会减少碳纤维之间粘接点数,增加单丝的粘接点数,因此碳纤维纸的导电和拉伸性能均有所提高。