1、设计（论文）题目碳纤维增强尼龙复合材料研究 类型（划“”）工程实际科研项目实验室建设理论研究其他一、本课题研究目和意义聚酰胺（PA，俗称尼龙）是美国DuPont公司最先开发用于纤维树脂，于1939年实现工业化。20世纪50年代开始开发和生产注塑制品，以取代金属满足下游工业制品轻量化、减少成本规定。聚酰胺主链上具有许多重复酰胺基，用作塑料时称尼龙，用作合成纤维时咱们称为锦纶，依照二元胺和二元酸或氨基酸中具有碳原子数不同，可制得各种不同聚酰胺，当前聚酰胺品种多达几十种，其中以聚酰胺-6、聚酰胺-66和聚酰胺-610应用最广泛1。尼龙是通用工程塑料中产量最大、品种最多、应用最广、性能优良基本树脂。具
2、备力学强度高、韧性好、耐磨等一系列长处。但由于尼龙酰基和水分子之间容易形成氢键，因而有较大吸水性，导致产品尺寸稳定性差，耐强酸强碱性差，干态和低温冲击强度低等2。为了克服这些缺陷，提高尼龙材料力学性能，扩大应用范畴，国内外研究者对尼龙6进行大量改性研究和开发，例如采用玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维及芳纶纤维对尼龙进行增强，通过基体增韧、纤维构造优化、混杂、纤维表面解决等途径对尼龙进行增韧等，研制开发出一系列综合性能优越、可满足特殊规定改性尼龙新品种，可广泛应用于汽车工业、航空航天工业、国防工业以及文体用品等，前景十分可观3。通过纤维改性尼龙可以大大提高尼龙耐酸性耐碱性和物理性能，使其合用范畴更广
3、，因而用纤维改性尼龙具备很重要意义。本课题将对此展开研究。二、本课题重要研究内容（提纲）本次课题重要进行不同含量碳纤维对尼龙基体增强效果研究，采用了双螺杆挤出机共混改性后测试复合材料力学性能。重要研究内容有：（1）碳纤维含量对尼龙基体增强影响；（2）工艺参数对尼龙基体增强影响；（3）尼龙种类对复合材料强度影响；三、文献综述（国内外研究状况及其发展）当前研究纤维改性尼龙有玻璃纤维改性尼龙、碳纤维改性尼龙、芳纶纤维改性尼龙、玄武岩改性尼龙以及超高分子量聚乙烯纤维改性尼龙等，这里重要简介玻纤改性尼龙和碳纤维改性尼龙。3.1玻璃纤维增强尼龙研究进展玻璃纤维增强复合材料，是以聚合物为集体，以玻璃纤维为增
4、强材料而制成复合材料，综合了聚合物和玻璃纤维性能，具备比强度高、耐腐蚀、隔热、成型收缩率小等长处。采用玻璃纤维增强尼龙可以成倍提高尼龙强度，大幅度提高其热变形温度，是制造高强度耐热尼龙有效途径。当前，国外对高GF含量PA66研究较多，研制出高GF含量PA66材料具备高刚性。如美国杜邦公司生产Zytel70G43L BK031，日本ICI公司VertonRF700-10和RA-D7008，日本Tonya公司生产Airman CM 3001G45,德国BASF公司生产Ultramid A3WGIO以及法国Rhoda公司Technyl A216V50,A218V40,A218V50等，玻纤含量高达5
5、0%。而国内当前由于工艺技术、设备等因素困扰，玻纤含量最高只能达到40%左右，并且由于工艺技术欠缺，导致产品强度低、流动性差、玻纤外露严重，产品档次始终在中低档产品中徘徊，对于高玻纤含量产品，国内使用高玻纤增强尼龙为进口材料。随着应用市场飞速发展，对玻纤增强尼龙提出更高规定。国内对玻纤增强尼龙材料进行了大量理论研究和产品开发。从基体中玻纤含量、玻纤尺寸、玻纤分散性、玻纤与尼龙基料粘结限度、各种助剂对的使用以及工艺条件调节等不同方面进行研究以达到增强目。研究状况如下：孙红玲4用硅烷偶联剂KH550对长玻纤进行表面解决后采用熔融共混法制备了尼龙66/长玻纤复合材料，分析了玻纤含量、温度对复合材料热
6、膨胀系数影响。成果表白，随着玻纤含量增长复合材料热膨胀系数明显下降；随着温度升高，复合材料热膨胀系数先增大后减小最后趋于平衡。王艇5以通用聚酰胺为基体，以短切玻璃纤维（事先以硅烷偶联剂进行表面解决）对其进行共混改性。实验测得当玻璃纤维用量约为30%时，材料拉伸强度、拉伸模量和弯曲强度、弯曲模量最佳，冲击强度为5.3KJ/cm2力学性能呈先上升后下降趋势。高志秋6用熔体浸渍工艺制备了长玻纤增强尼龙6预浸料，成果得出长玻纤增强尼龙复合材料力学性能明显优于短玻纤增强尼龙复合材料。张士华，陈光等人7通过碱催化阴离子聚合反映制备玻璃纤维增强单体浇铸尼龙复合材料（ GFMCPA）,研究了在干摩擦和水润滑条
7、件下，玻璃纤维含量对尼龙复合材料摩擦性能具备明显影响；玻璃纤维质量分数达到30%后复合材料具备较好耐磨性；在水润滑条件下，复合材料摩擦系数和磨损量较干摩擦时大幅度减少。玻璃纤维表面可以与聚酰胺之间形成紧密结合，改进玻纤与聚酰胺复合材料界面状况与分散性可以提高聚酰胺复合材料力学性能。刘相果等8 究了各种偶联剂对GF/PA66微观构造及性能影响。成果表白,偶联剂加入,不但使GF在PA66基体中基本呈均匀分布,并且使材料构造及性能有较大改进；复合偶联剂A1100+A+B改性效果优于单独使用A1100；复合偶联剂中A1100最佳含量为1.5%；偶联剂失效机理为界面脱粘、脱粘后摩擦和纤维拔出。高玻纤含量
8、增强尼龙可以提高尼龙强度、尺寸稳定性和减少吸水率，但是也带来一系列问题。当玻纤含量超过40时，复合体系熔体粘度增大，不但使加工成型困难，并且制品容易浮现玻纤外露、表面粗糙不良现象，特别是玻纤含量高PA制品特别严重，因此玻纤增强尼龙研究仍有很长路要走。3.2碳纤维改性尼龙研究进展碳纤维改性尼龙材料近年来发展不久，由于尼龙和碳纤维都是各自领域性能优秀材料，其复合材料综合体现了两者优越性，强度与刚性比未增强尼龙高诸多，高温蠕变小，热稳定性明显提高，尺寸精度好，耐磨，阻尼性优良，与玻纤增强尼龙相比有更好综合性能。针对尼龙优缺陷及当前碳纤维复合材料研究热点,从如下几种方面对国内外碳纤维改性尼龙研究现状加
9、以简介（1） 碳纤维与尼龙基体界面性能研究复合材料性能不但取决于材料构成,并且取决于构成材料之间界面粘结状态及界面应力传递方式,界面结合强度会直接影响复合材料力学性能。碳纤维与基体树脂结合力不够,因而在应用时须进行表面解决。国外，JQ.Irob等9采用表面电聚合对碳纤维表面进行解决，成果表白，水相条件下，在CF表面通过电化学聚合吡咯后，CF表面自由能提高40%，从而使CF在尼龙基体中润湿性能大大改进。S.J.Park和B.J.Kim10对碳纤维表面进行臭氧解决，针对臭氧浓度和解决时间进行讨论。通过傅里叶变换红外分附析和X射线光电子光谱分析发现，通过臭氧解决后,羰基、酯基、羟基等含氧官能团粘在碳
10、纤维表面以提高界面黏结度。J.Li11用Y射线对碳纤维进行表面解决,解决后复合材料各种性能均得到改进。国内，李春华12等人通过双螺杆反映挤出机制备碳纤维复合材料研究了复合材料微构造和力学性能,碳纤维扫描电镜照片显示,解决后碳纤维较未解决碳纤维有更好表面粗糙度。复合材料断面照片显示解决后碳纤维和基体尼龙6材料有着较好界面结合。复合材料力学性能得到提高,其拉伸强度和拉伸模量分别提高了33%和50%。赵洪凯等人13采用阴离子原位聚合碳纤维增强尼龙，在碳纤维表面接枝上高聚物活性官能团,以调节复合材料中纤维与树脂之间界面效应,从而改进复合材料性能,成果发现碳纤维表面对原位聚合生成尼龙以及改性尼龙结晶有很
11、大影响,碳纤维未接枝解决时表面形成横晶比较少;碳纤维接枝解决后可以看见纤维附近存在大量晶体构造,结晶体密度高,有助于材料性能改良。郑立允，赵立新等14发现用液相氧化法解决碳纤维可以增长纤维表面凸凹度、比表面积和表面含氧官能团含量，从而提高纤维与基体之间粘接强度，提高复合材料力学性能。中石化15采用液相氧化加阳极氧化解决办法,使碳纤维表面缺陷得到修复,机械强度更高。（2） 碳纤维增韧尼龙研究进展除上面简介界面改性外,碳纤维复合材料增韧还可以通过基体增韧、碳纤维构造形式优化及混杂等途径来实现。当前尼龙基体增韧体系重要涉及:PA/聚烯烃弹性体、PA/有机刚性粒子、PA/无机刚性粒子,其中第一种体系对
12、冲击性能提高幅度最大,应用也最为广泛,然而对于拉伸强度影响也最大。另一种研究热点就是运用热致性液晶材料（TLCP）自发取向特性,通过改进材料流动性能和纤维分布均匀性等以达到自增强增韧作用。碳纤维构造形式优化是指通过当代二维、三维整体编织技术,按制件形状和尺寸设计复合材料增强体构架，这样既能保证所需形状，又能保持纤维完整性，同步能有效控制纤维含量。在此类复合材料中,断裂分散化、纤维网络弯曲分层以及断裂桥联作用使得层间韧性提高,从而产生增韧效果。混杂又称混纤纱，浸渍是指将树脂纤维和增强纤维拉丝后合股，成形时树脂纤维熔融并均匀分散到纤维上。因树脂纤维和增强纤维达到理论上单丝分散水平，浸渍效果甚佳，增
13、韧增强效果也更为明显，当前有报道混纤纱体系重要有CF/PEEK和CF/PA。（3） 碳纤维增强尼龙研究进展 碳纤维具备质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特点，与玻璃纤维相比，模量高35倍，因而是一种获得高刚性和高强度尼龙材料优良增强材料。其中碳纤维复合材料可分为长（持续）纤维增强和短纤维增强两大类，纤维长度可从300400m 到几种毫米不等。当前国外大多采用尼龙6或尼龙66作为基体材料,以短切或长（持续）碳纤维作为增强材料。例如美国Wilson-Fiberfil国际公司使用40%碳纤维增强尼龙66,其弯曲强度提高到2758MPa,拉伸强度达到317. 2MPa,添加30%碳
14、纤维，其磨损因素为尼龙66本体十分之一,添加20%碳纤维,其弯曲强度与添加40%玻纤增强相似,达到294MPa。而纯尼龙- 66树脂拉伸屈服强度只有86MPa,悬臂梁缺口冲击强度为69J/M。国内王军祥等人16用碳纤维填充尼龙1010制备了碳纤维增强尼龙复合材料，并对其力学性能和摩擦学性能进行了实验研究。成果表白：碳纤维增强使尼龙复合材料拉伸强度、表面硬度、耐磨性增大，在润湿条件下碳纤维增强尼龙材料磨损率比在干燥时磨损率要高，但摩擦系数却低。摩擦系数和磨损率与拉伸强度具备反比关系。郑立允等人17研究了碳纤维对CCF/MCPA力学性能影响以及CCF/MCPA摩擦学性能和磨损机制。成果表白,CCF
15、/MCPA弯曲强度、弯曲弹性模量、冲击强度和平面剪切强度随碳纤维含量增长而提高,CCF/MCPA摩擦系数和磨损量随着载荷增长而减少。由此可见,碳纤维对尼龙树脂增强作用是明显。过去几年中，人们在改进不同种类碳纤维复合材料加工办法和性能方面投入了大量研究。从预浸树脂到模塑法加工，从短纤维掺混塑料注射加工到层压成型， 在碳纤维复合材料及制品制作方面积累了诸多成功经验。长（持续）纤维有其抗冲击性能方面优越性,但与短切纤维比较又有加工困难缺陷。当前趋势是长碳纤维复合材料在加工上继续完善新工艺办法,短碳纤维复合材料则向具备更高冲击和拉伸等性能方向发展。依照碳纤维长度、表面解决方式及用量不同，还可以制备综合
16、性能优秀、导电性能各异导电材料，如抗静电材料、电磁屏蔽材料、面状发热体材料、电极材料等。四、拟解决核心问题（1） 纤维含量控制,可以通过纤维丝束或双螺杆挤出机喂料速率来调节，用马弗炉进行纤维含量测试。（2） 工艺参数控制，双螺杆挤出机料筒温度控制在290到300摄氏度，使纤维与尼龙基体混炼均匀，达到好塑炼效果，以提高性能。（3） 纤维长度控制，螺杆间强烈作用将长纤维剪切成短纤维，而纤维长度对增强效果影响明显。五、研究思路和办法1、复合材料制备采用了双螺杆挤出机进行共混，将尼龙加入到双螺杆挤出机料筒，并且在中间加料口加入纤维束，依托螺杆间强烈剪切作用将碳纤维切割成不等短纤维。将共混好原料通过机头
17、挤出水冷却后用鼓风机进行风干然后造粒。2、烘干用真空干燥箱将所得粒料在一定温度下真空干燥24 h。3、原则样品制备使用注塑成型机制备拉伸、弯曲和冲击实验原则化试样。4.、力学性能评价使用万能电子实验机测定材料拉伸强度和三点弯曲强度，摆锤冲击实验机测定材料冲击强度。5、观测断面状况取拉伸实验后断成两截其中一截在断口处切下3 mm厚试样，非断口面磨平用于放置，通过扫描电子显微镜观测其断面形貌。6、实验成果分析与讨论对数据进行解决，对本次实验成果进行分析与讨论。实验流程图如下：六、本课题进度安排第1-3周：阅读有关文献，书写开题报告；第4-5周：制定合理实验；准备实验所需材料；熟悉所用仪器设备；第6
18、-13周：实验阶段，有筹划做实验，初步整顿实验成果，第14-15周：对实验数据分析，开始准备书写论文；第16周：书写论文，制备ppt，准备答辩；七、参照文献1 谭寿再，王玫瑰. MC尼龙改性研究. 广东轻工职业技术学院学报，6（5）：342 张世华，熊党生，崔崇. 国内尼龙6改性研究进展. 塑料科技，4：57593 刘志伟，邓志. 改性尼龙6纤维制备与性能研究. 胶体与聚合物 ，29（1）：19214 孙红玲. 长玻纤增强尼龙66复合材料性能研究. 塑料工业，4（5）：81845 王艇. 纤维增强聚酰胺性能研究. 化工技术与开发，39（2）：18206 高志秋. 纤增强尼龙6复合材料研究 J.
19、 工程塑料应用，29（7）：257 张士华， 陈光，米成. 玻璃纤维增强MC尼龙复合材料摩擦磨损性能研究. 摩擦学学报，26（5）：4524558 刘相果，彭晓东. 偶联剂对短玻纤增强PA66违规构造及性能影响研究. 工程塑料应用，31（7）：149 姚明，刘志雷，周建萍，图琴丽. 碳纤维表面改性最新研究进展. 材料导报A综述篇，26（7）：747810 Park Soo-jin，Kim Byung-joo. Roles of Acidic Functional Groups of Carbon Fiber Surfaces in Enhancing Interfacial Adhesion
20、BehaviorJ，Materical Science and Engineering A，,408:269-27311 Li Jun-qing，Huang Yu-dong，Xu Zhi-wei，et al. High-energy Radiation Technique Treat on the Surface of Carbon FiberJ. Materials Chemistry and Physicsn，94：315-32112 Chunhua Li，Guojun Song，Shujing Yang，etal. Study on Preparation of Short Carbon
21、 Fiber Reinforced Nylon6Composite J. Science Technology and Engineering，（2）：54654813 赵洪凯,钱春香,肖力光. 阴离子原位聚合碳纤维增强尼龙界面研究. 化工新材料，,（10）:10010314 Li-Yun Zheng，Li-Xin Zhao，Jing-Jun Zhang. The effect of ber oxidation on the tribological behavior of 3D-braided carbon ber/nylon composites，ScienceDirect,Wear 26
22、2 （） 1026103015 韩文佳，赵传山. 碳纤维改性及其纸基功能材料性能研究. 技术进步 ，09：213216 Junxiang Wang，Mingyuan Gu. Wear Properties and Mechanisms of Nylon and Carbon-Fiber-Reinforced Nylon in Dry and Wet Conditions，Journal of Applied Polymer Science，93（2）：78979517 郑立允，赵立新，王玉林. 持续CF增强尼龙复合材料研究. 河北建筑科技学院学报，,19（3）：1619指引教师意见指引教师（签名）： 年 月 日所在系（所）意见负责人（签章）：年 月 日
