连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料的研究进展

连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料的研究进展

廖庆华

株洲电力机车广缘科技有限责任公司 湖南株洲 412001

摘要：连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料是一种具有广泛应用潜力的新型材料。它结合了碳纤维增强复合材料的高强度、高刚度和良好的耐腐蚀性能，以及热塑性复合材料的可塑性和可回收性。通过合理设计和制备工艺，可以获得具有优异力学性能、低密度和良好的耐久性的复合材料。这为航空航天、汽车、船舶和其他领域的轻量化设计提供了新的可能。

关键词：连续碳纤维；高性能热塑性复合材料；研究进展

引言

在过去的几十年里，研究人员一直致力于改进连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料的制备工艺、性能调控和界面增强等方面。在纤维增强阶段，纤维表面的处理和涂层技术可以显著提高复合材料的界面黏合强度和织构性能。此外，还开展了多尺度建模和模拟研究，以了解其内部结构和缺陷对力学性能的影响。这些努力促进了连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料的进一步发展和应用。

1连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料介绍研究的背景

连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料是一种具有广泛应用潜力的新型材料。随着现代工业对轻量化、高强度和耐久性的需求不断增加，传统材料如金属和传统塑料已经不能满足这些要求。因此，研究人员开始寻找更先进的材料解决方案，并发展出了连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料。背景一方面是由于碳纤维具有优异的力学性能，如高强度、高刚度和低密度。这使得碳纤维成为理想的增强材料，可以显著提高复合材料的力学性能。另一方面，热塑性基体材料具有可塑性和可回收性，与热固性基体材料相比，更易于加工和再利用。

期望通过碳纤维增强高性能热塑性复合材料的研究，可以实现以下目标：

1.1轻量化设计：以碳纤维增强复合材料取代传统材料，可以大幅减轻结构质量，提高机械性能，降低燃料消耗并减少碳排放。

1.2 强度和刚度提升：通过优化纤维-基体界面，改善复合材料的黏结力，可以实现更高的强度和刚度。

1.3耐久性提升：通过改善复合材料的耐热性、耐腐蚀性和抗老化性能，可以延长其使用寿命并减少维修成本。

1.4工艺效率提升：研究新的制备工艺和模型，提高生产效率和一致性。

2简要概述目前使用和应用热塑性复合材料的情况

2.1 传统复合材料的局限性

传统的热固性复合材料使用环氧树脂等基体材料，虽然具有较高的强度和刚度，但在加工过程中需要采用特定的温度和压力条件进行固化。这导致其加工过程较为复杂，难以进行二次成型或修复，并限制了其可回收性和可塑性。

2.2 连续碳纤维增强热塑性复合材料的优势

（1）可塑性和可回收性：热塑性基体材料具有可塑性，能够在特定的温度范围内多次加热和塑性变形，便于成型和再利用，可以进行二次成型、修复和循环使用。

（2） 界面黏合强度：通过适当的纤维表面处理和界面设计，能够显著提高碳纤维与热塑性基体材料之间的界面黏结强度，从而提高整体力学性能。

（3）轻量化设计：由于碳纤维具有优异的强度和刚度，热塑性复合材料在相同强度要求下可以实现更轻的重量，并提供更好的节能效果。

（4）耐久性和耐腐蚀性能：热塑性复合材料具有优良的耐热性、耐腐蚀性和抗老化性能，能够在恶劣环境下保持较长的使用寿命。

3连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料的研究

3.1材料制备技术

研究人员致力于改进和开发新的碳纤维制备技术，以获得具有更高强度和刚度的纤维。此外，还研究了不同的基体材料，优化制备工艺，以实现最佳的纤维-基体界面性能。

3.2纤维-基体界面

界面是连续碳纤维增强热塑性复合材料性能的关键，研究人员通过表面处理、涂覆和改性等方法，以提高纤维-基体界面的胶合强度和相容性。这样可以增强材料的力学性能并提高其抗冲击性能。

3.3 复合材料的应用

研究人员将连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料应用于不同领域，如航空航天、汽车、船舶、体育器械等。研究人员通过工程设计和性能优化，实现材料的最佳应用效果。

3.4多尺度建模和模拟

通过多尺度的建模和模拟方法，研究人员可以深入了解连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料的内部结构、力学行为和损伤机制。这有助于优化设计和预测材料的性能。

4连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料的研究

4.1复合材料的力学性能

（1）抗拉强度和模量的测定：通过拉伸测试来确定材料在受力时的最大强度和刚度。

（2）剪切强度和模量的测试：通过剪切测试来评估材料在剪切载荷下的耐力和刚度。

4.2热性能的评估

（1）热稳定性和热分解温度的测定：研究材料在高温条件下的稳定性和热分解温度，可以使用热重分析（TGA）等方法进行测试。

（2）热膨胀系数的测试：通过热膨胀实验来评估材料在温度变化下的尺寸变化和热膨胀性能。

（3）热导率的分析：研究材料的热传导性能，可以使用热导率测试仪等设备进行测量。

4.3其他性能评估

（1）导电性能：研究材料的导电性能，可以通过电阻率测量等方法来评估。

（2） 阻燃性能：通过火焰传播测试和燃烧试验等方法来评估材料的阻燃性能。

5连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料的研究案例分析

案例：研究高性能热塑性复合材料在航空领域的应用

背景：在航空领域，轻量化设计和提高机体结构性能是关键目标。传统的金属材料存在重量较重和易腐蚀等问题，而碳纤维增强热塑性复合材料具有优异的强度、刚度和耐久性，因此被认为是一种有潜力的替代材料。图1连续碳纤维增强热塑性复合材料

图1连续碳纤维增强热塑性复合材料

5.1研究内容：

（1）材料制备：使用碳纤维和热塑性基体材料制备连续碳纤维增强热塑性复合材料。优化纤维表面处理方法和基体材料成型工艺，以提高纤维-基体界面黏合强度。

（2）力学性能评估：测定复合材料的抗拉强度、模量，剪切强度、模量，以及弯曲强度和模量。研究复合材料在不同加载条件下的力学性能，并与传统材料进行对比。

（3） 热性能评估：评估复合材料的热稳定性和热分解温度，测试其热膨胀系数和热导率。考察复合材料在高温环境下的性能表现。

（4） 其他性能评估：研究复合材料的导电性能、阻燃性能和耐候性等。测试复合材料的电阻率、火焰传播速率以及与湿度、紫外线暴露等因素的耐受程度。

5.2结果

（1）力学性能：连续碳纤维增强热塑性复合材料展示出卓越的机械性能，具有高强度、刚度和耐久性。与传统材料相比，其重量轻，并能够有效抵抗外部载荷。

（2） 热性能：复合材料表现出良好的热稳定性和耐高温性能。热膨胀系数和热导率适中，有助于避免因热膨胀引起的形状变化和热应力。

（3） 其他性能：复合材料显示出良好的导电性能、阻燃性能和耐候性。这使得其在航空领域具有更广泛的应用潜力。

结束语

连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料的研究进展为轻量化设计和可持续发展提供了新的机会。虽然在制备工艺、性能调控和界面增强等方面还面临挑战，但研究人员通过不懈努力已取得了许多重要的突破。随着更深入的研究和技术进步，相信这种复合材料将在更广泛的领域得到应用，并为未来材料发展带来更多的创新。

参考文献

[1]肇研,孙铭辰,张思益等.连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料的研究进展[J].复合材料学报,2019,39(09):4274-4285.

[2]肇研,刘寒松.连续纤维增强高性能热塑性树脂基复合材料的制备与应用[J].材料工程,2019,48(08):49-61.

[3]王辉, 高性能连续纤维增强热塑性复合材料的研发. 山东省,威海汇兴纤维制品有限公司,2019-12-13.

[4]邢开,徐海兵,颜春等.碳纤维增强高性能热塑性复合材料界面改性的研究进展[J].玻璃钢/复合材料,2019(05):110-115.

[5]陈光剑, 高性能纤维增强聚合物基热塑性复合材料. 浙江省,中广核俊尔新材料有限公司,2019-05-28.