连续碳纤维增强聚醚酮酮的制备与性能研究

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聚醚酮酮(PEKK)是一种热塑性特种工程塑料,属于聚芳醚酮家族,具有耐高温、耐腐蚀、耐氧化、抗辐射等优异性能,特别适合用作高性能复合材料的基体树脂。PEKK与高比强度、高比模量的碳纤维(CF)复合形成的复合材料,性能更加优异,是航空航天、军事领域的重要材料。预浸带是制造机翼、车身的重要中间材料。因此,研究连续碳纤维增强聚醚酮酮(Continuous Carbon Fiber reinforced PolyetherKetone Ketone,简称CF/PEKK)复合预浸带具有重要的意义。  本文采用湿法粉末浸渍工艺,以CF为增强体,PEKK树脂为基体,制备了拉伸强度超过一般超高结构钢的连续CF/PEKK复合材料。采用正交设计实验对树脂悬浮液的组成、用量进行研究,通过悬浮液的稳定性和制备的预浸带的外观质量共同决定最佳配方;对不同制备方式、加热区段、纤维与树脂浓度关系进行研究分析,确定了制备CF/PEKK复合材料的最佳工艺参数;并对复合材料的拉伸性能、动态力学行为、非等温结晶及熔融行为、界面形貌进行了研究。采用连续牵引制备的预浸带,克服了包膜间歇方式难以实现连续化操作的困难,解决了预浸带CF含量低、带内部树脂塑化熔融不佳、表面褶皱等问题,制备出表面平整、光滑,纤维含量和尺寸可控的预浸带。  CF/PEKK复合材料的拉伸强度随CF含量提高而增大。采用间歇式制备方法制备的预浸带,CF含量为35、40、50 vol.%时,复合材料的拉伸强度分别达到654、854、934 MPa。连续牵引制备的预浸带,CF含量为50、60、70 vol.%,拉伸强度分别达到了1528、1724、1931 MPa。  SEM 观察结果表明采用双区加热制备的CF/PEKK 预浸带,改善了单区受热不足,预浸带熔融塑化不充分的缺陷,带内部纤维分布均匀、浸渍非常好,纤维表面包裹着大量的树脂。间歇式制备方法制备的预浸带拉伸强度差异大,有的预浸带CF几乎无树脂包覆,有的由于起始的预热温度过高出现CF受热损伤的现象。  DMA测试表明,加入CF后可大幅度提高预浸带的E′,初始E50′、E60′、E70′分别达到92.90 GPa、103.03 GPa、113.66GPa,与纯PEKK树脂(初始E0′=2.19GPa)相比,分别提高42、47、52倍。升温过程发生冷结晶,E′均出现不降反增的现象,预浸带中树脂含量越高,冷结晶现象越明显。CF的加入使复合材料在270℃以上仍然保持较高的动态力学性能。  DSC测试表明,PEKK树脂和复合材料升温过程都出现冷结晶现象,而且随着CF含量的增加,Tcc向高温移动。这是因为PEKK树脂结晶缓慢,加工过程降温速率过快,温度迅速降低到链段冻结的温度,分子链来不及重排,结晶不完善,所以升温过程出现冷结晶;Tcc向高温移动,这是由于CF的加入,阻碍了PEKK分子链的运动,使其难以发生分子构象的改变,发生结晶重排困难,需要较高的能量,CF含量越高,Tcc温度越高。但是,CF含量对Tg、Tm无影响。不同降温速率研究表明,PEKK、CF/PEKK复合材料的结晶温度Tc、熔融温度Tm都随降温速率的加快而向低温移动,而且温度范围变宽。缓慢降温时,CF起异相成核的作用,可以促使复合材料在更高的温度下结晶。降温速率加快,基体中的CF阻碍PEKK分子链段运动,影响PEKK结晶,使结晶温度Tc向低温移动。  本课题中制备的预浸带样品在DMA、DSC测试的升温过程中都出现冷结晶现象,表明若采用该工艺制备的预浸带为原材料加工成其他制品,利用这一冷结晶特性,可以进一步提高制品的力学性能,获得更高性能的材料。
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