模压成型制备cffpps复合材料及其性能研究

模压成型制备cffpps复合材料及其性能研究

作为一种结构材料，可用于航空和车辆领域的复合纤维材料。热塑性树脂复合材料之所以得到长足的发展,最重要的三个原因是:1)加工过程不需引入溶剂和助剂,避免了环境污染;2)制品可回收、再生重复使用;3)成型加工速度快、周期短,原料廉价,有利于降低产品成本。同时,它还克服了热固性树脂复合材料存在的一些缺点,如断裂延伸率低、韧性差、吸湿、损伤容限比较低、预浸料贮存期短、设计自由度小等。热塑性复合材料以其优异的性能优势,如较高的断裂强度与韧性、较好的冲击损伤容限、可重复加工性及快速成型性,在近几年乃至以后材料发展蓝图上都将表现出强劲的发展势头。但因其熔融粘度较大,对纤维的浸渍比较困难。因此,扩大热塑性复合材料应用所面临的最大难题即如何解决树脂基体对纤维的完全浸渍。一个成功的应用实例即碳纤维增强聚苯硫醚复合材料作为空客A340/A380飞机机翼前缘。GrouveW.J.B.等人采用薄膜叠层的方式建立了玻纤增强聚苯硫醚复合材料层压板成型模型,通过实验数据验证了此模型的有效性,能有效地用于实践。EL-DessoukyH.M.等人采用拖拽铺展技术制备了超轻质碳纤维增强聚苯硫醚热塑性复合材料,孔隙率和力学性能都得到了很大的改善。张随山等人采用悬浮-熔融法对碳纤维/聚苯硫醚复合材料的复合工艺及力学性能进行了研究,并制备了复合材料预浸料。薄膜叠层模压法是复合材料成型应用得最早工艺之一,适合于任何基体树脂能够制成薄膜的热塑性树脂,其制备工艺的原理示意图如图1所示。聚苯硫醚(PPS)是一种以苯环和硫原子组成分子主链的线性半结晶聚合物,因此具备了一系列优良的性质,如优异的力学性能、化学稳定性、耐溶剂性,阻燃性等,使得其成为具有良好加工成型性能的热塑性特种工程塑料。本文采用薄膜叠层模压成型法制备CFF/PPS复合材料层压板,通过纤维改性处理和模压工艺优化,得到力学性能优异的CFF/PPS复合材料,确定了理想的工艺参数。1实验材料和方法1.1s型模具设计实验用PPS薄膜,四川德阳科吉高新材料有限责任公司;碳纤维缎纹织物,东丽T3003K5HS,江苏宜兴碳纤维织物织造有限公司编织。电脑平板硫化机,上海德弘橡塑机械有限公司,型号XLB-D350;微型注塑机,上海德弘橡塑机械有限公司,型号SZ-S-C;热压模具,课题组自主设计;电子万能试验机,美国Instron英斯特朗公司生产,型号Instron5985。1.2实验方法1.2.1cff/pps复合材料热压过程热压过程将CFF与PPS薄膜交替叠放于经处理的模具中内,将模具放入升温至设定温度的电脑平板硫化机内,加压至设定的压力,热压一段时间后,保压并冷却至PPS树脂的玻璃化转变温度Tg以下,脱模,即可得到CFF/PPS复合材料层压板,热压过程的参数控制示意图如图2所示。本实验的加压方式采用三段式加压:1纤维与树脂的初步接触(resinflow)、2树脂与纤维的结合(autohesion)、3单丝纤维浸润及降低孔隙率(fiberimpregnation)。1.2.2pps流变测试首先对树脂基体PPS进行热学性能测试。在升温速率为10℃/min对其进行DSC扫描,确定其熔点在260~290℃之间,如图3(DSC型号:美国TAInstruments公司,ModulatedDSC2910);在空气气氛、10℃/min升温速率下,研究了PPS热降解性能,如图4(TGA型号:德国耐驰209F1型);在频率为1Hz、升温速率为3℃/min下,对PPS进行流变性能测试,温度扫描范围为260~350℃,确定其在330℃时熔融粘度相对最低的,从340℃开始PPS基体开始交联,表现为粘度上升,如图5(流变仪型号:美国TA公司,ARES-RFS型应变控制平板流变仪)。碳纤维在编织之前,为防止因摩擦产生毛丝而对纤维表面进行了上浆处理。据文献报道,对于热塑性基体,此浆料与基体的亲和性较差,因此在使用之前需将其去除。本文采用的处理方式为将碳纤维织物叠放于高温炉体中,在氮气气氛下400℃热处理4h。1.3试验与分析测试方法(1)试样的拉伸强度按ASTMD3039标准测试,弯曲强度按ASTMD7264标准测试和层间剪切强度(ILSS)按ASTMD2344标准测试,冲击强度测试采用悬臂梁测试方式,摆锤重5J,按ISO180:2000(E)标准测试。(2)纤维浸润性与断口形貌分析。将水切割试样进行裁剪、镶嵌、打磨、抛光、超声清洗、烘干,采用金相显微镜(德国ZEISS公司)观察其横截面,分析试样的浸润情况。将弯曲断面裁剪、喷金,用日本HitachiSU8010场发射扫描电镜观察断口形貌分析。2结果与讨论2.1上浆料浆料对碳纤维调湿的影响CFF去浆前后的微观形貌如图6所示。从图6(a)中可以看出图中可以看出碳纤维表面含有上浆料,并且部分浆料将碳纤维单丝粘合在一起,这对PPS树脂浸润碳纤维织物是不利的。从6(b)图中可以看出碳纤维表面的上浆料已被除去,且碳纤维单丝之间无粘合,这对PPS树脂浸润碳纤维织物是有利的,可以有效地增加纤维与PPS树脂基体之间的作用力。2.2实验1:三段式加压CFF/PPS复合材料层压板的另一个重要影响因素是热压参数的设置,如图1、2所示。根据PhillipsR等人预测的模型,本实验采用三段式加压。由于压力过大易导致碳纤维织物的变形,压力本身较小而难以精确控制,因此热压参数选择为温度、时间两个参数。2.2.1温度对cff/pps层压板冲击性能的影响如图7所示,在温度为300℃、310℃、320℃、330℃及340℃下,PPS基体的粘度相对较低。因此,在三段式加压方式(如图2)、热压时间为25min下,研究了热压温度对CFF/PPS复合材料性能的影响。如图7所示,随着温度的升高,CFF/PPS层压板的拉伸、弯曲、层间剪切(ILSS)性能都呈现出先增大后减小的趋势,这归因于随着温度的升高,PPS树脂基体的熔融粘度逐渐下降,有利于树脂对纤维织物的浸渍。但温度超过330℃后,因PPS树脂基体发生快速交联,而使得PPS基体粘度迅速上升,阻碍了树脂对纤维的浸润过程,影响了材料的拉伸、弯曲、层间剪切性能。因此,曲线呈现出先上升后下降的趋势。如图8所示,在340℃下,PPS树脂基体的粘度随着时间的延长而呈现出快速上升,这对树脂浸润纤维的过程是不利的。层压板的冲击强度随温度升高而增加,但其离散性相对较大、断裂形式不同,所以冲击性能变化不是很明显。因此,热压成型的温度确定在330℃范围内CFF/PPS复合材料层压板的力学性能比较好。2.2.2拉伸性能随时间的变化在确定热压温度为330℃、相同加压方式及压力下,研究了不同热压时间对CFF/PPS复合材料层压板力学性能的影响。如图9所示,随着热压时间的延长,CFF/PPS层压板的拉伸、弯曲、冲击、层间剪切性能均呈现出先增大后减小的趋势,且当时间超过25min后,冲击性能呈现出大幅度地下降。其原因是PPS树脂在高温下,时间越长,交联越容易发生而且较快。交联程度的增大使得PPS树脂基体变硬变脆,基体与纤维的结合过度,使得纤维断裂时其周围树脂基体产生垂直于纤维的裂缝,然而这些裂缝得不到有效地终止,从而迅速引起附近纤维的断裂,材料呈现出脆性断裂,最终拉伸强度呈现下降的趋势。但是,对于弯曲强度与层间剪切而言,层与层之间的树脂也发生了交联反应,使得层压板层间不易分离,交联的树脂基体起到了“铆接”的作用,故其弯曲强度呈现出逐渐增加的趋势,而层间剪切强度趋于平缓。2.3材料的显微组织图10为CFF/PPS复合材料层压板侧面的纤维显微照片。从图中可以看出,所制备的CFF/PPS复合材料层压板中无明显的孔隙,树脂对纤维的浸润性很好。图10(b)为CFF/PPS层压板在较高放大倍数下的显微照片,从图中可以看到纤维单丝随机分布在PPS树脂基体中,浸润性比较好。图11为实验试样的弯曲断口扫描电镜照片。从图11(a)中可以看出,弯曲的断口相对比较整体,带有部分的纤维拔出。同时,可以看出纤维与基体的界面结合适中,基体断裂呈现出韧性断裂。图11(b)为横向纤维表面的微观形貌。纤维表面附着了大量树脂,在弯曲断裂过程中,纤维和树脂已断裂部分很好地将裂纹传递出去,发生层间破坏。3确定热压参数(1)通过纤维热处理和模压工艺优化,得到力学性能优异的CFF/PPS复合材料层压板,因此薄膜叠层模压法制备CFF/PPS复合材料路线是可行的。确定了合适的热