Полимеры являются одним из наиболее часто используемых и известных материалов 21 века. Однако чистых полимеров недостаточно для использования в отраслях, требующих высокой прочности и превосходной термостойкости. В результате термопластичные композиты являются предпочтительными материалами, и создание этих новых материалов потребует преодоления таких препятствий, как высокое энергопотребление, высокая стоимость материалов, надежность и возможность вторичной переработки.

Углеродное волокно (CF) привлекло внимание исследователей благодаря своим превосходным характеристикам, таким как легкий вес, устойчивость к высоким температурам, низкая плотность, высокий модуль упругости и хорошая химическая стойкость. CF также является уникальным материалом с высоким соотношением прочности и веса, низкой токсичностью, возможностью вторичной переработки, некоррозионным и хорошей износостойкостью. В целом CF обладает значительными электрическими, физическими, механическими и термическими свойствами.

Термопластичный композиционный материал представляет собой термопластичный полимер (например, полиэтилен (PE), полиамид (PA), полифениленсульфид (PPS), полиэфиримид (PEI) и полиэфирэфиркетон (PEEK) в качестве матрицы с различными непрерывными/прерывистыми волокна (такие как углеродное волокно, стекловолокно и т. д.) в качестве армирования композиционного материала.

Термопластичные композиты, армированные углеродным волокном (CFRTP), обладают превосходными тепловыми, механическими и электрическими свойствами, что делает их широко используемыми в строительстве, морской, автомобильной промышленности, производстве спортивных товаров и авиации.

Углеродное волокно является перспективным материалом для армирования полимерной матрицы. Существует несколько типов УВ-материалов в зависимости от их предшественников/сырья, свойств и температур обработки на стадии термообработки. CF также можно классифицировать по прерывистым и непрерывным волокнам (ориентации волокон внутри матрицы) или их длине. В результате многие производители выпускают разные типы CF.

Например, композиты на основе прерывистых волокон используются в больших объемах, где свойства должны быть почти изотропными. С другой стороны, композиты на основе непрерывного волокна широко используются в небольших объемах, где требуются более высокие механические свойства в одном или обоих направлениях, например, опорные балки, ударные пластины и защитная оболочка.

Композиты из углеродного волокна на основе термопластической смолы подвергаются кристаллизации и стеклованию во время обработки, тогда как композиты из углеродного волокна на основе термореактивной смолы имеют реакции сшивания и отверждения. С точки зрения сложности процесса, термопластичный композит из углеродного волокна труднее проникнуть в процесс подготовки, чем термореактивный композит из углеродного волокна, но в то же время преимущества также очевидны: он имеет короткий цикл формования, хорошую ударопрочность. стойкость, свариваемость, возможность вторичного формования и высокая свобода структурного проектирования.

Различные детали, изготовленные из термопластичных композиционных материалов, армированных углеродным волокном, обладают преимуществами низкой плотности, высокой прочности, относительно высокой ударной вязкости, переработки и повторного использования, а также имеют широкий спектр перспектив применения в аэрокосмической, военной, высокотехнологичной технике, медицине и других областях. .

Пять основных термопластичных композитов, армированных углеродным волокном

1. PPS, армированный углеродным волокном
PPS — это полукристаллическая термопластичная смола с превосходными механическими свойствами, стойкостью к химической эрозии, огнестойкостью и т. д. Метод армирования углеродным волокном также оказывает весьма очевидное влияние на характеристики PPS. В диапазоне ниже 50%, чем больше объемная доля углеродного волокна в термопластичном композиционном материале, тем выше механические свойства композиционного материала.

2. PI, армированный углеродным волокном.
В композитных материалах PI, армированных углеродным волокном, углеродное волокно является армированием и основной несущей конструкцией, в то время как матрица смолы в основном играет роль соединения волокна и передачи нагрузки, которая может передавать и выдерживать сдвиг. стресс, выдерживать растягивающую и сжимающую нагрузку, перпендикулярную волокну, и защищать волокно от повреждений.
Когда композитный материал подвергается воздействию внешней силы, углеродное волокно и матричная смола в целом, так что деформация углеродного волокна и матричной смолы одинакова, но поскольку модуль упругости углеродного волокна намного больше, чем у матричная смола, когда углеродное волокно и матричная смола находятся при одинаковой деформации, напряжение углеродного волокна будет намного больше, чем напряжение матричной смолы. Таким образом, углеродное волокно несет на себе большую часть приложенной напряжения композита.
Тем не менее, поверхность углеродного волокна гладкая и инертная, удельная площадь поверхности мала, край активных атомов углерода, поверхностная энергия низкая, а инфильтрация матрицы PI и адгезия двухфазного интерфейса плохие, их легко обрабатывать. образуют зазоры и дефекты на границе раздела, межслоевая прочность на сдвиг низкая, что приводит к низкой прочности межфазного соединения.
Таким образом, свойства ПИ-композита, армированного углеродным волокном, не только зависят от соответствующих свойств углеродного волокна и ПИ, но также тесно связаны со свойствами межфазного соединения между ними.


3. Нейлон PA, армированный углеродным волокном
(PA), как обычный термопластичный конструкционный пластик, имеет более чем полувековую разработку, наиболее широко используется в конструкционных пластмассах, его продукция играет важную роль в автомобильной, машиностроительной, нефтехимической, текстильная, транспортная, строительная, электронная, металлургическая и другие отрасли промышленности.
Нейлон (PA) сам по себе обладает отличными характеристиками, но имеет и определенные недостатки, такие как большое поглощение влаги, плохая стабильность размеров изделий, прочность и твердость металла и т. д., что в определенной степени влияет на его прикладную ценность. Чтобы преодолеть эти дефекты, можно использовать непрерывное армирование углеродным волокном для улучшения его характеристик. Нейлон, армированный углеродным волокном, представляет собой композитный материал, который полностью воплощает в себе эксплуатационные преимущества армирования и матрицы, а прочность и жесткость значительно выше, чем у неармированного нейлона.

(ПА+LCF)

4. Композитный материал полиэфирэфиркетон (PEEK), армированный углеродным волокном.
Композитный материал PEEK, армированный углеродным волокном, представляет собой разновидность композиционного материала со специальным инженерным пластиковым полиэфирэфиркетоном (PEEK) в качестве смоляной матрицы с непрерывной фазой и углеродным волокном (CF) в качестве армирования дисперсной фазы. В настоящее время термопластичные композиты, армированные непрерывным углеродным волокном, в основном используются в аэрокосмической, спутниковой, военной и других областях.

5. Композитный материал CF/PEI
PEI представляет собой разновидность аморфного высокоэффективного полимера с превосходными механическими свойствами, электроизоляцией, радиационной стойкостью, устойчивостью к высоким и низким температурам и износостойкостью. Композиты CF/PEI с разной ориентацией CF имеют разные фрикционные свойства, модуль упругости, ударную вязкость и деформацию. Благодаря процессу модификации можно улучшить интерфейс между матрицей CF и PEI, так что количество волокон, выдергивающихся при разрыве материала, значительно уменьшается, а прочность на разрыв, предел текучести, модуль упругости и коэффициент упругости CF/PEI композитные усовершенствованы.



В настоящее время термопластичные композиты демонстрируют замечательную зрелость и новаторство в техническом состоянии. Эти материалы широко используются в нескольких отраслях промышленности благодаря своим уникальным свойствам, таким как легкий вес, высокая прочность, возможность вторичной переработки и гибкость обработки. Зарубежные страны начали масштабно его использовать. Поставщики материалов, представленные TenCate, Victrex и т. д., поставщики оборудования для автоматизации, представленные Automated Dynamics, и производственные исследовательские подразделения, представленные KVE, TPRC, FOKKER и т. д. Предприятия по производству авиационных приложений, представленные Airbus и Boeing, систематически развивались, и их технологии становились все более совершенными. идеальный. В то же время текущая тенденция показывает, что термопластичные композиты развиваются в направлении повышения производительности, снижения стоимости и большей защиты окружающей среды. Эти материалы играют все более важную роль, особенно в аэрокосмической, автомобильной, строительной и электронной промышленности.