高性能热塑性复合材料的高温力学性能

高性能热塑性复合材料的高温力学性能
陈家正,张晓兵,张　琳
(哈尔滨玻璃钢研究院,哈尔滨150036)
摘　要　用碳纤维T 700增强杂萘联苯聚醚酮(PPEK )　杂萘联苯聚醚砜(PPES ),采用层压工艺制作复合材料试样,对试样
进行高温力学性能测试与分析,研究了高性能热塑性复合材料在高温条件下的力学性能变化规律及其影响因素。

关键词　热塑性;复合材料;高温力学性能
Mechanical Performance of H igh -performance Thermoplastics
under the E levated Temperature
CHE N Jia -zheng ,ZH ANG X iao -bing ,ZH ANGLin
(Harbin FRP Institute ,Harbin 150036
)
ABSTRACT Samples is made from carbon fiber T 700rein forced PPEK and PPES in laminating process.The mechanical perfor 2mance of samples is tested in high temperature and analyzed.The varying rules and effective factors of mechanical performance un 2der high temperature are researched.KEY WORDS Therm oplastic ;C omposites ;High temperature ;Mechanical performance
1　前　言
由于热塑性树脂基复合材料具有高强度、高模量、耐高温、韧性较高、预浸料存放周期长、成型方法多、工艺简单、生产周期短、可多次加工性及优异的耐损伤性,耐化学试剂性以及较低的日常维护费等优点,在汽车工业、航空航天、交通运输、体育器材、化工防腐、国防等领域得到了广泛的应用,已经越来越受到人们的重视。

杂萘联苯聚醚酮,杂萘联苯聚醚砜是新型高性能热塑性树脂,本文用连续碳纤维T700增强杂萘联苯聚醚酮、杂萘联苯聚醚砜,研究CF/PPEK 、CF/PPES 复合材料的高温力学性能。

2　实验原材料及设备
2.1　实验用原材料
T ORAY T70012K 碳纤维:日本;PPEK (杂萘联苯聚醚酮)、PPES (杂萘联苯聚醚砜)、二甲基乙酰胺:工业品;N -甲基吡咯烷酮:工业品;乙酸乙酯:工业
品。

2.2　实验主要设备
(1)缠绕机:DSC -1型缠绕机;(2)烘箱;(3)红外灯;
(4)Instron 5500R 试验机。

3　试件制备
采用层压工艺制成CF/PPEK 、CF/PPES 复合材料试件。

先采用湿法缠绕制成单向纤维预浸片,再采用层压工艺将预浸片压制成单向板。

3.1　单向纤维增强预浸片的制备
图1　单向纤维增强预浸片制备示意图
第2期
纤维复合材料N o 1243　
2007年6月
FIBER
COMPOSITES
Jun 1,2007
(1)配制胶液
依据极性相近原则和溶解度参数原则,进行配胶试验选择合适的溶剂。

选定用二甲基乙酰胺和N -甲基吡咯烷酮的混合溶液作为溶剂。

将PPEK (PPES )粉末、N -甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺按照
一定的质量比配制好以备缠绕使用。

(2)纤维的处理和烘干:缠绕前纤维需要进行热处理,以除去纤维表面游离的水分。

因为过量的游离水分不仅影响树脂基体与纤维的粘合,同时将引起应力腐蚀,并使微裂纹等缺陷进一步扩展,从而使制品强度和耐老化性能下降。

(3)浸胶:缠绕时纤维含胶量是在浸胶过程中进行控制的。

其主要是通过挤胶辊压力来控制含胶量的。

胶液的粘度控制在350-1000厘泊范围内。

(3)缠绕张力:在纤维缠绕过程中,缠绕张力是
缠绕工艺的重要参数。

如果张力过低,制品强度就
会偏低;反之,张力过大,纤维就会磨损强度就会下降。

预浸片的孔隙率也会随缠绕张力的变化而变化。

(4)缠绕速度:由于本试验是采用湿法缠绕,故
纱线速度受纤维浸胶过程的限制。

缠绕速度不宜过快。

(5)固化:从缠绕开始到结束,始终用红外灯烘烤,一方面是为了使溶剂很好的挥发,另一方面是为了加热固化,缩短制备周期。

(6)脱模:这样我们便得到了预浸片。

3.2　单向板的热压成型
热压成型工艺可以分成模具处理、预热与涂刷脱模剂、预浸片的烘干、预压成型、装模、压制、脱模等几个部分。

工艺流程如下如下
:
图2　单向板制备示意图
(1)模具处理、模具预热与涂刷脱模剂
先将模具的表面用粗砂纸打磨,除去模具表面残留的树脂和灰尘等杂物。

然后再用细砂纸打磨,使模具表面光滑平整,以避免其影响制品的表面。

清理好模具后,涂上脱模剂。

将模具合模放在压机上,设定温度为300℃进行预热,目的是使脱模剂较好的浸润。

(2)预浸片的烘干
采取梯级烘烤的方法。

即在100℃/18h ─120℃/6h ─140℃/2h ─160℃/1h ─180℃/1h ─205℃/20min 。

(3)预浸片的预压成型
由于长时间烘烤,溶剂挥发造成预浸片四边有不同程度的卷曲。

不易直接放入模具中进行热压,所以先预压使其平整且粘合成一个整体。

(4)装模
将预压制好的预浸片,装入处理好的模具中,合模。

(5)模压
模具放好后,将压机的活塞自然放下,将压力加
到27.4M pa 。

升温,温度达到360℃时,发现模具两侧有胶挤出,保持温度15分钟,停止加热。

冷却定型。

(6)脱膜
脱模得到表面光滑,纤维平直,平整无翘曲的单向板。

4　测试与分析
4.1　测试标准
弯曲强度:参照G B3355-2005标准测定;
拉伸强度:参照G B3354-8233标准测定;4.2　结果分析
用P 0表示复合材料在常温下的力学性能,P 表示复合材料在高温时的力学性能,P f 表示复合材料高温时的力学性能保留率,则P f =
P P 0。

表1、表2是T700/PPEK 、T700/PPES 在不同温度下的力学性能及高温力学性能保留率:
44　纤　维　复　合　材　料2007
年
表1　T700/PPEK的性能
温度拉伸强度(MPa)拉伸模量(G Pa)弯曲强度(MPa)弯曲模量(G Pa) P f P f P f P f
20℃1520118.8873.988.5
150℃//85484.3 //98%95%
200℃//78878.4 //90%89%
250℃104579.166166.7 69%67%76%75%
表2　T700/PPES的性能
温度拉伸强度(MPa)拉伸模量(G Pa)弯曲强度(MPa)弯曲模量(G Pa) P f P f P f P f
20℃1530114.7873.185.3
150℃//83481.2 //95%95%
200℃//76476.4 //88%89%
250℃101274.361462.8 66%64%70%74%
由表1、表2可以看出,高性能热塑性复合材料CF/PPEK、CF/PPES的高温力学性能(拉伸强度,拉伸模量,弯曲强度,弯曲模量)随温度的升高而降低,其高温性能保留率在60%以上,这说明高性能热塑性复合材料CF/PPEK、CF/PPES的高温力学性能优异。

影响复合材料高温力学性能的因素是多方面的,例如,基体和纤维的性能,界面的影响,分子结构,成型工艺,环境因素等方面。

(1)基体的性能对复合材料高温性能的影响:复合材料的耐高温性主要取决于基体的高温性能, PPEK和PPES具有很好的耐高温性,因此,它所对应的复合材料的高温性能通过实验数据来看是比较不错的。

另外,热塑性树脂的主要缺点之一是当温度变化时热塑性树脂明显的膨胀或收缩,其膨胀或收缩量要大于金属,在基体中加入适量的碳纤维,热塑性基体的膨胀和收缩会大大降低,因此纤维的性能也会对复合材料的高温性能产生很大的影响。

(2)界面的影响:基体与纤维界面粘接的好坏直接影响到复合材料的各种性能。

因此,在制作复合材料的时候,界面处理是十分重要的。

(3)分子结构的影响:在主链中引入芳杂环,增强了链的刚性,分子链容易取向,使承受负荷的分子链增多,强度增加。

聚醚砜的玻璃化温度(264℃)比聚醚酮玻璃化温度高(250℃),是因为砜基(—S O2—)比酮基(—C O—)极性强。

增加共聚物中砜基的比例,可使共聚物的玻璃化转变温度提高。

可见,将全刚性、扭曲非共平面的杂萘联苯结构和苯侧基引入聚合物大分子主链,能显著提高其耐热性能。

(4)成型工艺的影响:在工艺过程中的配方,溶剂的选择,操作环境,操作技术等都会对复合材料的性能造成一定的影响。

(5)环境的影响:其主要因素有温度,湿度,各种射线(紫外线、点子、中子等),环学作用、机械应力、应变等。

选择和使用高性能热塑性复合材料时必须考虑极端环境条件对复合材料的影响。

5　结　论
高性能热塑性复合材料CF/PPEK、CF/PPES的高温力学性能(拉伸强度,拉伸模量,弯曲强度,弯曲模量)随温度的升高而降低,其高温力学性能保留率在60%以上,这说明高性能热塑性复合材料CF/ PPEK,CF/PPES的高温力学性能优异。

影响高性能热塑性复合材料CF/PPEK,CF/PPES的高温力学性能的因素主要有基体和纤维的性能,界面的影响,分子结构,成型工艺,环境因素等方面。

参　考　文　献
1　李龙,张茂林.热塑性复合材料用混纤预浸料特征.玻璃钢/复合材料,2002,5
2　仲伟虹,李芙蓉,张佐光等1先进复合材料耐热评价———复合材料高温力学性能的理论预测.宇航材料工艺,1997,1
3　张克惠.聚醚醚酮的制备、结构、性能.塑料材料学1西安:西北工业大学出版社,2000,5
4　舒文艺,包莜梅.聚醚砜/碳纤维复合材料的力学行为研究.玻璃钢/复合材料,1991,6
5　董雨达,陈宏章.高性能热塑性复合材料在航空航天工业中的应用.玻璃钢/复合材料,1993,1
6　陈连周.甲基取代杂萘联苯型聚芳醚的合成、表征及特征.高分子材料科学与工程,2002.11
7　PEEK In formation(
PEEK聚醚醚酮树脂的性能),吉林大学新材料
研究学报,2001.9
2期陈家正等:高性能热塑性复合材料的高温力学性能45　。