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. Под термопластичным композиционным материалом понимается термопластичный полимер (такой как полиэтилен (PE), полиамид (PA), полифениленсульфид (PPS), полиэфиримид (PEI), полиэфиркетон-кетон (PEKK) и полиэфирэфиркетон (PEEK) в качестве матрицы, с различными непрерывными/прерывистыми волокнами (такими как углеродное волокно, стекловолокно и т. д.) в качестве армирования композиционных материалов.

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 этапе 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, устойчивостью 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.

Полифениленсульфид (ПФС), армированный углеродным волокном, широко используется в аэрокосмической и военной областях в развитых странах Европы, но уровень внутреннего применения по-прежнему очень велик по сравнению с ним, с одной стороны, из-за ограничения производственных мощностей. сырье, такое как смола PPS, с другой стороны, оно зависит от технологии применения композитных материалов PPS, армированных углеродным волокном. Это включает в себя как способность готовить композиционные материалы, так и способность разрабатывать композитные изделия. Внутри страны для изготовления дронов успешно применяется отечественный соединительный лист из полифениленсульфида (CF/PPS), армированный углеродным волокном. Впервые отечественный термопластичный композит используется в качестве несущей конструктивной части БПЛА, и это новая попытка и исследование по продвижению применения термопластичного композита в области БПЛА.

(Ссылка: PPS-LCF )

2. PI, армированный углеродным волокном

В композитных материалах с ПИ, армированных углеродным волокном, углеродное волокно является основным.e армирование и основная несущая конструкция, в то время как смоляная матрица в основном играет роль соединения волокна и передачи нагрузки, которая может передавать и выдерживать напряжение сдвига, 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 в 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, этот композитный материал полностью отражает эксплуатационные преимущества армирования и матрицы: прочность и жесткость значительно улучшены, чем у неармированного нейлона, а прочность на разрыв чистой смолы PA66 увеличена в десять раз. В условиях высоких температур этот композитный материал имеет меньшую ползучесть, хорошую стабильность размеров и лучшую износостойкость.

(Ссылка: PA6-LCF)

4. Композиционный материал полиэфирэфиркетон (PEEK), армированный углеродным волокном
PEEK, как новый полимер, находился на стадии лабораторных исследований и разработок в Китае до 2002 года, когда отечественные предприятия могут начать массовое производство. В последние годы объем отечественного производства ПЭЭК неуклонно растет, а качество продукции достигло международных стандартов, что обеспечивает мощную поддержку развитию композитов ПЭЭК, армированных волокном.

Композит PEEK, армированный углеродным волокном, представляет собой разновидность композиционного материала со специальным инженерным пластиком полиэфирэфиркетон (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.

(Ссылка: PEEK-LCF)

5. Композиционный 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 интерфейс между матрицей CF и PEI может быть улучшен, так что количество волокон, выдергиваемых при разрыве материала, значительно уменьшается, а предел прочности, 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.