【摘 要】
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碳纤维增强聚醚醚酮复合材料具有高断裂韧性、优异的力学性能,同时可以进行重复加工,广泛的应用于航空航天、汽车制造、医疗材料等领域。复合材料中界面起着传递载荷的作用,其结构与性能直接影响复合材料的性能。然而传统的环氧型碳纤维无法承受聚醚醚酮高达370°C的加工温度,容易在界面处引起缺陷导致性能下降。针对这一问题,本文设计合成适用于聚醚醚酮体系的碳纤维上浆剂,目的是使其既与聚醚醚酮基体有较好的相容性,又
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碳纤维增强聚醚醚酮复合材料具有高断裂韧性、优异的力学性能,同时可以进行重复加工,广泛的应用于航空航天、汽车制造、医疗材料等领域。复合材料中界面起着传递载荷的作用,其结构与性能直接影响复合材料的性能。然而传统的环氧型碳纤维无法承受聚醚醚酮高达370°C的加工温度,容易在界面处引起缺陷导致性能下降。针对这一问题,本文设计合成适用于聚醚醚酮体系的碳纤维上浆剂,目的是使其既与聚醚醚酮基体有较好的相容性,又与碳纤维表面有较好的结合,作为一个桥梁将碳纤维与聚醚醚酮树脂粘接在一起,可以更为有效的传递载荷,从而增强复合材料的界面性能。本文主要研究内容如下:（1）将环氧上浆碳纤维用丙酮脱浆处理制备脱浆碳纤维,SEM和XPS结果表明基本达到脱浆效果。利用微球脱粘实验评价不同熔融指数聚醚醚酮树脂与脱浆碳纤维表面的结合强度,结果表明树脂分子量对纤维与树脂间的界面结合无明显影响,聚醚醚酮与碳纤维间的界面结合较弱。评价了不同耐高温热塑性树脂与碳纤维表面的界面结合强度,发现聚醚酰亚胺与碳纤维间的界面剪切强度最高、达到了97.9MPa,说明特有的酰亚胺基团与碳纤维之间有着更好的界面结合。（2）选用与聚醚醚酮重复单元相同的二胺单体APBP合成不同酰亚胺含量的聚酰胺酸,作为上浆剂制备了聚酰亚胺上浆碳纤维。通过挤出共混、注塑成型工艺制得标准样条,从宏观角度评价碳纤维/聚醚醚酮复合材料的机械性能。与未处理碳纤维复合材料相比,含醚酮结构聚酰亚胺上浆处理后复合材料机械性能得到明显改善,复合材料拉伸强度和弯曲强度随着上浆剂中酰亚胺含量增加逐渐增大。观察复合材料拉伸断面发现,含醚酮结构聚酰亚胺上浆剂可以明显改善碳纤维与聚醚醚酮间的界面结合。利用微球脱粘法表征复合材料界面剪切强度,发现上浆处理后纤维与树脂间的界面结合作用增强,酰亚胺含量较高的PMDAAPBP型聚酰亚胺呈现较高的界面剪切强度。观察微球滑脱后表面形貌发现,聚酰亚胺上浆碳纤维的断口处有较多PEEK树脂的残留,表示上浆后碳纤维与树脂间有良好的界面结合。（3）以APBP为二胺单体,PMDA为二酐单体合成聚酰胺酸,分别稀释至0-2.0wt%上浆碳纤维,通过界面性能的表征探究适宜的上浆剂浓度。复合材料拉伸强度和弯曲强度随着上浆剂浓度的增大呈现先升高后降低的趋势,当上浆剂浓度为1.0wt%时,复合材料拉伸强度和弯曲强度达到最大值,分别为171.4MPa和261.6MPa、提高幅度为16.8%和8.2%。复合材料拉伸模量和弯曲模量随着上浆剂浓度的增加而逐渐增大。DMA数据表明,复合材料储能模量随上浆剂浓度增大而增大,上浆剂的引入使得纤维与树脂间有较好的界面结合。复合材料界面剪切强度测试结果表明,随着上浆剂浓度增大,界面剪切强度逐渐增大。当浓度为1.0wt%时,界面剪切强度为88.1MPa,与未处理碳纤维复合材料相比提高了24.8%。（4）由于在适宜的1.0wt%上浆剂浓度下,碳纤维丝束粘结在一起、开纤性较差,无法满足工业化的后续应用。因此选用APBP-PMDA型聚酰亚胺,加入PA封端剂制备不同聚合度酰亚胺齐聚物上浆碳纤维,探究上浆剂分子量黏度对复合材料界面性能的影响。复合材料界面性能随着上浆剂黏度的增加表现出先升高后降低的趋势,当聚合度为16时复合材料呈现最大的拉伸强度、弯曲强度和界面剪切强度,分别为173.3MPa、270.6MPa和93.8MPa。观察复合材料断面形貌发现,纤维与树脂间呈现良好的界面结合。因此,适当降低上浆剂黏度可以在保持界面性能的同时便于后续加工应用。
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