高取向度短切碳纤维连续毡的制备及其复合材料性能评价研究

发布时间：2020-03-24 01:42

【摘要】：碳纤维增强复合材料(CFRP)由于其具备质轻高强、化学稳定性好、优异耐热性能等特点,被广泛于航空航天、能源、交通、工业等领域。由于碳纤维本身超高的性能保持率、自然状态下长期无法降解、日益增长的碳纤维需求量和废料量以及回收碳纤维超高的经济效益使碳纤维的回收利用问题进入人们的视野。将回收得到的蓬松状短切碳纤维进行取向,制备出性能优异的取向短切碳纤维增强复合材料,最大程度发挥出回收碳纤自身力学性能,是本文认为碳纤维回收最理想并最具有价值的利用途径之一。本文以水为分散介质、以羟甲基纤维素(CMC)为助分散剂研发了一套完整的大规模制备高取向度、高纤维体积含量、高性能的短切碳纤维取向毡的连续制备技术方法,建立了制备高性能取向短切碳纤维增强复合材料的最优技术方法,为大规模制备回收碳纤维增强高性能复合材料提供了数据支持和理论指导以及技术保障,主要工作如下:研究了实现大规模短切碳纤维的稳定分散的有效途径,研究了碳纤维表面形貌、羟甲基纤维素黏流特性以及搅拌分散类型作用机理对短切碳纤维分散程度的影响,并采用分散度β值对短切碳纤维分散程度进行了量化表征。通过碳纤维表面形貌的研究发现表面形貌对短切碳纤维水环境浸润性影响极大,T800S碳纤维由于其较低的表面张力、良好的浸润性使其更适合大规模短切碳纤维的分散。通过对羟甲基纤维黏流特性的研究,匹配到了最合适大规模分散的羟甲基纤维素,并获得了其最优适用浓度区间以及使用温度和时间上限。通过对搅拌分散类型及机理的研究,得出了最适合大规模分散的搅拌器类型,并为大规模搅拌分散装置的设计提供了数据支持和理论指导。基于自主设计制作的取向喷头装置,提出了相应的自重力取向机理,系统的研究了影响碳纤维取向的主要因素:包括流体黏度(η)、取向装置狭缝宽度(W)、取向装置与接受网夹角(0)、接收网运行速度(V)、短切碳纤维浓度、短切纤维长度(L)以及短切碳纤维铺垫层数,通过取向角度统计和取向张量计算对短切碳纤维的取向程度进行了量化表征,并通过拥挤因子的计算建立了短切纤维分散取向状态的理论评估方法。通过自主设计制造的短切碳纤维取向毡连续制备技术成功制备了,宽幅为300mm,长度大于200m,相对取向度大于80%,碳纤维质量分数大于85%的短切碳纤维取向毡。采用不同成型方法,制得了性能良好的的短切碳纤维取向毡/环氧树脂基复合材料。通过对比不同成型方法的特点,发现两步法预浸料工艺为制备高性能取向毡/树脂基复合材料的最优技术方法。通过两步法预浸料工艺制备得到碳纤维质量分数为30%的短切碳纤维取向毡增强复合材料,其力学性能优异,拉伸强度与模量较相同碳纤维质量分数的无规碳纤维增强复合材料提升了 175%和65%。采用相同方法制备得到的碳纤维质量分数为50%的复合材料,其拉伸强度与模量可达到900MPa和45GPa,已远高于相同纤维质量分数连续玻璃纤维增强复合材料以及铝材的力学性能,完全可以取代部分连续纤维增强复合材料作为次级结构材料。此外制备的复合材料还具备优异的电磁屏蔽性能,在1-18GHz范围内电磁屏蔽效能达到60dB。通过使用回收碳纤维作为原材料,制备得到的复合材料兼顾优异的力学性能和电磁屏蔽性能,同时具有超高的性价比,对回收碳纤维的二次再利用具有重要的指导意义。
【图文】：

需求量不断增长的碳纤维复合材料市场[26]

高取向度短切碳纤维连续毡的制备及其复合材料性能评价研究

图１－５断裂拉伸破坏技术原理示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｓｔｒｅｔｃｈ邋ｂｒｅａｋｉｎｇ逡逑
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB332

【参考文献】