上浆剂对碳纤维聚丙烯复合材料力学性能的影响

上浆剂对碳纤维/聚丙烯复合材料力学性能的影响碳纤维增强热塑性复合材料在汽车行业的大量应用,碳纤维与基体之间的界面问题依然是值得探讨的热门话题。本文选取高性能碳纤维增强聚丙烯(polypropylene,简称:PP)复合材料,其中碳纤维来源于国内外三家著名公司:J 公司、D公司和Z公司三家供应商的碳纤维。

含原浆碳纤维和热水退浆后(分别经过热水退浆工艺处理)碳纤维以连续纤维直接喂入注塑成型一步法(Direct Fiber Feeding injection Molding,简称:DFFIM)工艺增强PP注塑成六类20%质量分数的碳纤维复合材料。通过测定不同温度和拉伸速度下的拉伸性能,应用扫描电子显微镜观察拉伸断裂横截面形态,评定热水退浆工艺对碳纤维与PP界面的改善程度,并分析来源(碳纤维供应商)、拉伸速度和温度梯度对拉伸性能的影响。

同时,通过三点弯曲试验,悬臂梁缺口冲击试验评定碳纤维复合材料的弯曲性能和冲击性能,并综合评定三家公司碳纤维复合材料的力学性能差异。最后,判定时温等效原理是否适用于此次力学试验,以杨氏模量和拉伸强度数据为基础,分别拟合J、D、Z公司样品在25℃下的疲劳寿命。

通过上述实验,可得到以下结论:1 DFFIM成型的Z公司碳纤维增强PP复合材料拉伸强度最高,D公司样品次之,J公司样品偏低,Z公司碳纤维复合材料的拉伸强度比最低的J公司样品提高20%左右,热水退浆后Z公司碳纤维复合材料强度也会提高10%左右。2 DFFIM成型的J、D公司碳纤维增强PP复合材料杨氏模量相近,都为3.5GPa,高于Z公司样品的2.5GPa,高40%。

3以拉伸强度数据为基础,采用时温等效原理拟合疲劳寿命,发现D公司样品疲劳寿命最长,Z公司样品次之,J公司样品最低,D公司原始碳纤复合材料疲劳寿

命为24年,退浆后疲劳寿命下降,说明原上浆剂匹配PP树脂基体,退浆后导致寿命下降。4由于不同类型碳纤维复合材料初始模量不一致,根据主机厂安全系数,采用储存模量下降到60%初始模量时间消耗为标准,拟合出D公司样品疲劳寿命

最长,J公司样品次之,Z公司样品最低,D公司下降40%模量时间损耗是其它两个公司的两倍,极大地延长杨氏模量下降,材料刚度变化缓慢,增加材料的使用寿命。

5 SEM电镜图看出,碳纤维上浆剂与PP不匹配时,碳纤维与基体之间间隙过大,拉伸断裂时容易抽拔出来降低其力学性能。热水退浆后碳纤维流动性增强,

更加均匀分布在PP基体中,减小碳纤维和PP基体之间的间隙,显著提高力学性能。

6 DFFIM成型的D公司碳纤维增强PP复合材料弯曲强度最高,J公司样品次之,Z公司样品最低,具体表现为D公司比J公司高12.6%,比Z公司高达16.8%;

同时Z公司样品冲击强度最高,D公司样品次之,J公司样品最低,具体表现为Z

公司比D公司高69%,比J公司高114%。7总体来看,J公司碳纤维质量较差,上浆剂与热塑性树脂基体不匹配;D公司碳纤维质量良好,上浆剂与热塑性树脂基体

匹配,综合力学性能比较突出;Z公司碳纤维质量良好,上浆剂与热塑性树脂基体

不匹配。

热水退浆工艺对力学性能较低的材料系统(J、Z公司)改善明显,而对D公司之类性能较高的材料系统,改善效果不是特别明显,说明D公司原有浆料对PP有相当的相容性,可有效改善界面结合性能,而J、Z公司原有浆料有待改进。