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- 碳纤维织物增强聚醚醚酮基（CFF/PEEK）航空复合材料的制备及其界面改性
- 作者： 张照 来源： 东华大学 年份： 2017 文献类型 ： 学位论文 关键词： 力学性能 热压成型 磺化聚醚醚酮 碳纤维织物 聚醚醚酮
- 描述： 由于成型速度快、可回收、损伤容限高等优势,碳纤维织物(Carbon fiber fabrics,CFF)增强热塑性复合材料近些年发展迅猛。聚醚醚酮(Polyetheretherketone,PEEK)由于具有优异的力学性能、耐化学腐蚀、抗疲劳及热稳定性,是一种有潜力的先进热塑性复合材料基体。但是,PEEK的熔融粘度大,对丝束密集的CFF浸渍比较困难,纤维与基体的相互作用较弱,仍是碳纤维织物增强聚醚醚酮基(CFF/PEEK)热塑性复合材料成型面临的巨大难题,限制了其应用。本文采用热压法制备CFF/PEEK复合材料。采用示差扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC)、热失重分析(thermal gravity analysis,TGA)等测试手段对PEEK性能进行表征,研究了热压温度、压力等工艺参数对复合材料综合力学性能的影响规律,最终确定的优化工艺条件为:热压温度395°C,热压压力2.5MPa。在优化工艺条件下制备出的CFF/PEEK复合材料的拉伸强度为714.29MPa,弯曲强度为955.84MPa,层间剪切强度为51.91MPa,冲击强度为44.60k J/m2。借助扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、金相显微镜等测试手段观察复合材料的断面,PEEK基体树脂完全渗透到CFF单丝之间,树脂和纤维分布均匀且孔隙率仅为1.25%。通过碳纤维(Carbon fiber,CF)表面处理,研究了CFF/PEEK复合材料界面改性方法。分别采用丙酮回流法和高温法对商业级CF表面进行去浆处理,最佳工艺条件为70℃丙酮回流处理10小时,尽管该条件下纤维单丝强度损失为5.75%。为了增强PEEK和CF的界面结合强度,采取浓HNO3和高温处理相结合的办法对去浆后的CF表面进行活化处理;并分别用KH560和KH570硅烷偶联剂、可溶性聚醚酰亚胺(Polyetherimide,PEI)溶液、可溶性聚酰亚胺(Polyimide,PI)原浆、磺化聚醚醚酮(Sulfonated polyetheretherketone,SPEEK)溶液等对活化CF进行表面修饰。实验结果表明,当采用SPEEK浓度为5g/L的二甲基甲酰胺(Dimethylformamide,DMF)溶液对活化CF进行涂层处理时,复合材料层间剪切强度和储能模量达到最高,复合材料基体-增强体界面获得显著改善。本文采用热处理来解决CFF/PEEK复合材料中制品曲翘、基体内部结晶不均匀、存在残余应力等问题,并研究了热处理温度和时间对CFF/PEEK复合材料力学性能的影响。实验结果表明,热处理可以使PEEK分子链段松弛,结晶度提高,晶粒尺寸和分布更均匀,从而减少或消除复合材料在成型过程中造成的残余内应力。当在290°C下处理4h时,其弯曲性能、层间剪切强度都得到明显提升,分别提高了22.43%和25.65%。