高取向度短切碳纖維連續(xù)氈的制備及其復(fù)合材料性能評價研究.pdf

1、碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）由于其具備質(zhì)輕高強、化學(xué)穩(wěn)定性好、優(yōu)異耐熱性能等特點，被廣泛于航空航天、能源、交通、工業(yè)等領(lǐng)域。由于碳纖維本身超高的性能保持率、自然狀態(tài)下長期無法降解、日益增長的碳纖維需求量和廢料量以及回收碳纖維超高的經(jīng)濟效益使碳纖維的回收利用問題進入人們的視野。將回收得到的蓬松狀短切碳纖維進行取向，制備出性能優(yōu)異的取向短切碳纖維增強復(fù)合材料，最大程度發(fā)揮出回收碳纖自身力學(xué)性能，是本文認為碳纖維回收最理想并最具有價值的利用

2、途徑之一。本文以水為分散介質(zhì)、以羥甲基纖維素(CMC)為助分散劑研發(fā)了一套完整的大規(guī)模制備高取向度、高纖維體積含量、高性能的短切碳纖維取向氈的連續(xù)制備技術(shù)方法，建立了制備高性能取向短切碳纖維增強復(fù)合材料的最優(yōu)技術(shù)方法，為大規(guī)模制備回收碳纖維增強高性能復(fù)合材料提供了數(shù)據(jù)支持和理論指導(dǎo)以及技術(shù)保障，主要工作如下:
　　研究了實現(xiàn)大規(guī)模短切碳纖維的穩(wěn)定分散的有效途徑，研究了碳纖維表面形貌、羥甲基纖維素黏流特性以及攪拌分散類型作用機理對短

3、切碳纖維分散程度的影響，并采用分散度β值對短切碳纖維分散程度進行了量化表征。通過碳纖維表面形貌的研究發(fā)現(xiàn)表面形貌對短切碳纖維水環(huán)境浸潤性影響極大，T800S碳纖維由于其較低的表面張力、良好的浸潤性使其更適合大規(guī)模短切碳纖維的分散。通過對羥甲基纖維黏流特性的研究，匹配到了最合適大規(guī)模分散的羥甲基纖維素，并獲得了其最優(yōu)適用濃度區(qū)間以及使用溫度和時間上限。通過對攪拌分散類型及機理的研究，得出了最適合大規(guī)模分散的攪拌器類型，并為大規(guī)模攪拌分散裝

4、置的設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支持和理論指導(dǎo)。
　　基于自主設(shè)計制作的取向噴頭裝置，提出了相應(yīng)的自重力取向機理，系統(tǒng)的研究了影響碳纖維取向的主要因素:包括流體黏度(η)、取向裝置狹縫寬度(W)、取向裝置與接受網(wǎng)夾角(θ)、接收網(wǎng)運行速度(v)、短切碳纖維濃度、短切纖維長度(L)以及短切碳纖維鋪墊層數(shù)，通過取向角度統(tǒng)計和取向張量計算對短切碳纖維的取向程度進行了量化表征，并通過擁擠因子的計算建立了短切纖維分散取向狀態(tài)的理論評估方法。通過自主設(shè)計制

5、造的短切碳纖維取向氈連續(xù)制備技術(shù)成功制備了，寬幅為300mm，長度大于200m，相對取向度大于80％，碳纖維質(zhì)量分數(shù)大于85％的短切碳纖維取向氈。
　　采用不同成型方法，制得了性能良好的的短切碳纖維取向氈/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料。通過對比不同成型方法的特點，發(fā)現(xiàn)兩步法預(yù)浸料工藝為制備高性能取向氈/樹脂基復(fù)合材料的最優(yōu)技術(shù)方法。通過兩步法預(yù)浸料工藝制備得到碳纖維質(zhì)量分數(shù)為30％的短切碳纖維取向氈增強復(fù)合材料，其力學(xué)性能優(yōu)異，拉伸強度與模

6、量較相同碳纖維質(zhì)量分數(shù)的無規(guī)碳纖維增強復(fù)合材料提升了175％和65％。采用相同方法制備得到的碳纖維質(zhì)量分數(shù)為50％的復(fù)合材料，其拉伸強度與模量可達到900MPa和45GPa，已遠高于相同纖維質(zhì)量分數(shù)連續(xù)玻璃纖維增強復(fù)合材料以及鋁材的力學(xué)性能，完全可以取代部分連續(xù)纖維增強復(fù)合材料作為次級結(jié)構(gòu)材料。此外制備的復(fù)合材料還具備優(yōu)異的電磁屏蔽性能，在1-18GHz范圍內(nèi)電磁屏蔽效能達到60dB。通過使用回收碳纖維作為原材料，制備得到的復(fù)合材料兼顧