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环境因素会影响热塑性CF/PEKK复合材料的性能吗?

发表时间:2024-04-22 10:33:52  作者:超级管理员 阅读数:157

  热塑性碳纤维复合材料近些年随着技术的进步而出现较好的发展态势,尤其在航空航天领域中,热塑性碳纤维被应用的案例越来越多,如机翼、起落架舱门、襟翼、雷达罩等。飞机在飞行过程中,长时间暴露在空气中,会面对光照、温度、湿度、风力、雷电等环境因素的袭扰,这些环境因素是否会加快热塑性碳纤维复合材料的降解和老化呢?其性能是否会随之大幅下降,甚至缺失呢?智上新材料将引用国外专业论文的相关知识,以热塑性碳纤维聚醚酮酮(CF/PEKK)复合材料为基础,以真实的数据做一些介绍。

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  模拟环境下对CF/PEKK复合材料进行相关实验

  湿度、温度、紫外线、盐度、风力等环境因素同时存在时,可以引发协同降解机制,对材料的物理形态和各项性能带来负面影响。如过量水分可以产生增塑剂效应,降低玻璃化转变温度,影响纤维和基体粘附能力。而紫外线会导致基体发生光氧化反应,破坏化学结构,引发链断裂和新的交联,降低复合材料的强度、耐热性,还会引起复合材料脆性提升,出现局部开裂的情况。

  本文涉及的聚醚酮酮(PEKK),它是聚芳醚酮类高性能热塑性树脂的一种,与碳纤维材料充分浸润后形成的CF/PEKK复合材料具有较好的性能平衡性,包括较好的热稳定性、低吸湿性、优异的耐燃性、较好的高韧性,同时拉伸强度和模量也比较高。

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  国外专业论文中,实验过程中选择温度、湿度(水分)和紫外线为基础的环境因素,通过调节后形成参照对比,对CF/PEKK复合材料样品进行长时间的测试,利用动态力学分析(DMA)的方式记录CF/PEKK层压板的粘弹性能和玻璃化转变温度(Tg)的变化数据,并推导对应的结论。

  环境因素对CF/PEKK粘弹性能和玻璃化转变温度的影响

  1、吸湿率提升过程:CF/PEKK层压板在80℃和90%湿度的环境中,自身重量随着暴露时间的增加而提升,但提升是有上限的,这种提升是因为吸收了一定的水分。通过对测试过程的观察,发现前6个小时,吸水量快递上升,吸湿率达到0.18wt%,在随后的50天内缓步达成饱和状态,最大吸湿率0.23wt%左右。

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  2、湿度(水分)对粘弹性能和Tg的影响:能量损耗率(tanδ)数据显示,损耗达到顶点时,Tg降低了约1.8%(165℃下降至162℃);存储模量(E')数据显示,湿热处理前后的存储模量在30℃已经开始出现一定的差距,随着温度上升存储模量均逐步下降,当存储模量急剧下降的拐点出现时,Tg降低了约8.5%(153℃下降至140℃);损失模量(E”)数据显示,损耗达到顶点时,Tg降低了5.2%(162℃下降至154℃),说明粘弹性能出现下降。以上数据综合起来发现,湿热因素使聚合物基体塑化,玻璃化转变温度(Tg)下降,粘弹能力也出现下降。

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  3、紫外线辐对粘弹性能和Tg的影响:将CF/PEKK层压板样品置于紫外线环境中,分别照射200、600、1200和2400小时。能量损耗率(tanδ)数据显示,损耗达到顶点时,Tg分别是161℃、165℃、169℃和167℃,200小时时Tg相对较低,其他3个时段都稍高一些。

  存储模量(E')数据显示,在温度50℃时,4组不同照射时段的CF/PEKK层压板样品的存储模量的上限已经有极大的差距,分别是40GPa、26GPa、18GPa和10GPa,说明紫外线照射对复合材料模量的影响极大,降解效果非常明显,大幅拉低了复合材料的力学性能。另外4组样品存储模量急剧下降的拐点出现时,Tg分别是147℃、130℃、106℃和105℃,下降同样非常明显。

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  损耗模量(E”)数据显示,4组不同照射时段的CF/PEKK层压板样品的Tg数值很接近,分别是157℃、160℃、162℃和162℃,说明紫外辐射作用对分子链键没有显着影响,对应的粘弹性能也没有显着的变化。

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  4、热冲击(温度)对粘弹性能和Tg的影响:热冲击处理后,能量损耗率(tanδ)数据显示,损耗达到顶点时,Tg上升了1.2%(165℃上升至167℃);存储模量(E')数据显示,在50℃时,热冲击前后的存储模量存在较大差距,分别是35GPa和48GPa,提升了37%,而存储模量急剧下降的拐点出现时,Tg分别是153℃和155℃,上升了1.2%;损耗模量(E”)数据显示,损耗达到顶点时,Tg分别是162℃和163℃,也略微提升了一点。综合起来说明热冲击增加了复合材料的刚度,但对Tg几乎没有影响。

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  通过实验可以发现,环境因素对热塑性碳纤维复合材料性能的影响是非常直观的,尤其湿度和紫外线对于其力学性能的影响非常大。当然这只是模拟了自然环境的部分因素,若是置于真实的自然环境中,不可控的因素还有很多。在各种因素的影响下,热塑性碳纤维复合材料需要面临的考验和问题会更多,出现降解和老化的概率更高。基于这种现实,全世界碳纤维方面的研究机构和团队,需要花费更多的时间和精力,掌握核心技术,才能真正的将碳纤维及复合材料的价值发挥出来,让碳纤维和特种塑料的作用应用到更广阔的舞台。

  本文涉及论文来源:https://doi.org/10.1177/0731684413515955


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