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紫外线对碳纤维增强聚苯硫醚复合材料机械性能的影响

发表时间:2024-04-01 10:58:06  作者:超级管理员 阅读数:64

  热固性碳纤维复合材料是当下性能较为完善且应用较为广泛的纤维增强复合材料,但它的脆性较大、抗冲击性较弱,因此经常以此被诟病。随之不少科研人员将目光转向热塑性树脂上面,但早起的热塑性树脂的性能还不环氧树脂等,直到20世纪80年代,高性能热塑性树脂相继出现,美国航天局发起了关于高性能热塑性复合材料的早期研究,但进展缓慢。

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  随着时间的推移,高性能热塑性树脂经过了几十年的发展,在现有的热塑性树脂中,聚芳醚酮类(PEKK、PEEK等)、聚苯硫醚(PPS)这些新型树脂出现,这些热塑性树脂具备优良的力学性能(高抗拉强度、高弹性模量),同时具备较好的韧性和热稳定性,还具有不错的化学惰性,与碳纤维相结合后,可以形成综合性能更好的热塑性碳纤维复合材料,不仅在航空航天领域备受青睐,同时辐射到更多其他领域和行业。

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  环境因素对热塑性碳纤维复合材料具有天然的破坏性

  自然环境中存在较高的干扰因素,如风、水、光照、氧气等,这些因素会对所有身处其中的物体造成一定的干扰和破坏作用,热塑性碳纤维复合材料自然也无法幸免。自然环境中,太阳光照对于热塑性碳纤维复合材料的影响一直存在,但是关于这方面的研究却并不算多。通过前人对此的研究发现,太阳光长时间照射,可以对热塑性碳纤维复合材料造成热降解和光降解。

  热降解主要是高温导致树脂软化,影响复合材料稳定的外在形态,破坏物理结构,导致了性能大幅下降。而光降解主要是紫外线部分引起,紫外线会对热塑性碳纤维复合材料带来负面影响,如氧化、链断裂和交联等。链断裂打破原有的分子链状态,影响物理结构和性能,而交联会限制分子的迁移率,导致复合材料脆性增大。

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  有国外科研团队,就太阳中紫外线对热塑性复合材料机械性能的影响做了一些研究和测试,测试中以碳纤维聚苯硫醚(CF/PPS)复合材料层压板为基础,长时间进行紫外线照射实验,再通过接触角测角仪、差示扫描量热法(DSC)、动态力学分析(DMA)和拉伸实验这4种方式,对该不同照射时间的CF/PPS层压板进行不同角度的数据测算,来获取最终的影响结果。

  紫外线对碳纤维增强聚苯硫醚复合材料机械性能的影响

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  1、接触角测角仪测试:使用光学接触角测角仪测量参考样品和紫外暴露样品的接触角,小接触角(u<<90°)表示亲水条件。作为参考以未被紫外线照射的CF/PPS层压板为参考,它的接触角为86~90°。在紫外线照射120、240、360和480小时的CF/PPS层压板的接触角分别为为66.6°、65°、51°和44.7°接触角值的降低表明,紫外线被复合材料中的PPS聚合物吸收,导致了CF/PPS复合材料表面润湿性的增加,显示复合材料有高吸湿和降解反应。

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  2、差示扫描量热法(DSC)测试:采用DSC分析参考样品和紫外暴露样品的结晶率,结晶度比例对半结晶聚合物的性能起着至关重要的作用,具有较高结晶度(%)聚合物的复合材料具有更好的拉伸强度和弹性模量。研究发现未被紫外线照射的CF/PPS层压板的结晶度在30~34%之间,而从DSC扫描来看,CF/PPS层压板在经过120、240、360和480小时的紫外线照射下,结晶度分别是35.8%、39.3%、42.9%和37.7%,结晶度呈现上升又回落的变化,但紫外线照射后的结晶度均高于为经紫外线照射前的结晶度,这是紫外线为结晶过程提供了更多的能量。

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  3、动态力学分析(DMA)测试:根据ASTMD7028标准,采用DMA分析CF/PPS层压板的玻璃化转变温度(Tg)。未经紫外线照射的CF/PPS层压板的Tg值为89.32,120小时和240小时的紫外线照射略微增加了CF/PPS层压板的Tg,分为为92.11和92.66.分析原因可能是结晶度的增加,分子结构变得更加有序,并限制了半晶态聚合物中的非晶态区域的运动。而在360小时和480小时紫外线照射下,Tg值大幅降低,分别为84.04和91.94,低于未经紫外线照射的CF/PPS层压板的Tg值。Tg值的下降是因为复合材料中分子量的降低导致,而紫外线长时间照射,会导致链断裂机制出现,这才是CF/PPS层压板出现光降解的根本原因。

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  4、拉伸试验测试:采用拉伸试验进行测试,观察受紫外线照射的试样的拉伸性能的变化。经过测试对比,未经紫外线照射的CF/PPS层压板在0°方向的抗拉强度为580.06MPa,而经过120、240、360和480小时紫外线照射的CF/PPS层压板在0°方向的抗拉强度分别为644.26MPa、703.05MPa、654.23MPa和604.013MPa.结果显示,结晶度随着紫外线照射时间的增加而增加,同时也提高了材料的抗拉强度,但较长时间的紫外线照射,会导致链式断裂反应的光氧化降解比结晶度的影响更明显,从而导致强度的陡然降低。

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  实验结论显示,长时间的紫外线照射会对热塑性碳纤维复合材料的机械性能带来较大的影响,短时间内可能有正向影响,但是长时间状态下,更多的是负面影响。这种影响其实不仅仅处于性能层面,更会影响热塑性碳纤维复合材料的制备和应用。热塑性碳纤维复合材料的生产制备具有极高的技术门槛,需要极强的技术和经验为基础,目前国内能够从事连续碳纤维增强热塑性复合材料制备的企业屈指可数,智上新材料作为其中其中的一员,深知其中的不易,希望随着国内碳纤维技术的进度,国产碳纤维产业能够越来越好。


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