国外连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料研究进展

DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.21.091

2017 NO.21

SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION

科技资讯

国外连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料研究进展①

胡加卓1 许治平1 栾加双2*

(1.吉林大学军需科技学院 吉林长春 130062;2.吉林大学化学学院 吉林长春 130012)

摘 要:聚醚醚酮由于其优异的耐化学腐蚀性、耐高温性和良好的机械性能,被誉为“工程塑料综合性能之王”,是首选的热塑性复合材料的优质基体。高性能聚醚醚酮与强性能碳纤维的“高强联合”,而制得高强度、高模量、低密度的高性能连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料(CCF/PEEK),为实现以塑代钢从根本上解决某些工程问题提供了高性能的材料。该文针对近年来国际CCF/PEEK复合材料研究前沿与热点,总结阐述CCF/PEEK复合材料的制备工艺、结构与性能的研究进展。关键词:聚醚醚酮 连续碳纤维 复合材料 应用中图分类号:TB332

文献标识码:A

文章编号:1672-3791(2017)07(c)-0091-04

Review of the Continuous Carbon Fiber Reinforced Poly(ether ether ketone) Composites

Hu Jiazhuo1 Xu Zhiping1 Luan Jiashuang2*

(1.College of Quatermaster Technology, Jilin University, Changchun Jilin, 130062, China;2.College of Chemistry, Jilin University,

Changchun Jinlin,130012,China)

Abstract:Poly(ether ether ketone)is known as＂the king of engineering plastics comprehensive performance＂owing to the

.com.cn. All Rights Reserved.excellent mechanical performance, good thermal stability, and chemical resistance, and so on. its high quality of thermoplasticcomposites matrix is preferred. It is＂High-Super joint＂between High performance PEEK and Super performance of carbonfiber, and high strength, high modulus, low density continuous carbon fiber reinforced high performance Poly(ether etherketone)(CCF/PEEK) composites were made. This can supply high performance plastic instead of steel to fundamentally solvesome engineering problems. This paper reviewed research frontier and hot spots of the CCF/PEEK composites in recent years,and summed up the preparation technology, structures properties and application of CCF/PEEK composites.Key Words:Poly(ether ether ketone); Continuous carbon fiber; Composites; Application由于高性能碳纤维(CF)的加入,使连续碳纤维(CCF)增强热塑性复合材料,在重量降低的前提下还具有超高的强度和模量。而热塑性基体的加入,使复合材料具有更高的韧性以及更短的加工时间。尤其是聚醚醚酮(PEEK)作为热塑性基体,由于其优异的抗溶剂性、耐摩擦性能和独特的生物相容性,使得连续纤维增强聚醚醚酮复合材料能够被广泛地应用于航空航天、汽车、医疗等领域。

预浸带方法来制备复合材料,典型代表就是ICI公司的APC系列产品。尤其是对APC-2(CCF/PEEK)的研究最多,主要集中于加工、微观结构和性能之间的关系。而对于非预浸体系制备的CCF/PEEK复合材料的研究相对较少,这主要是由于非预浸体系相对较差的基体渗透性,因此对于非预浸体系,很多研究工作集中于加工、固化质量和性能之间的关系。

Lustiger等[1]通过DSC研究了处理条件对来自APC-2预浸料的复合材料的形态的影响。结果表明,根据ICI工序,低压和物理老

1 微观结构

对于连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的大量研究都是基于

化条件制备的板存在两种不同的晶体形态或熔融和重结晶。Lustiger等[1]还通过等离子体蚀刻和扫描电子显微镜研究了各种

①基金项目:吉林大学“大学生创新创业训练计划”国家级资助项目:聚醚醚酮(PEEK)织物的热防护性能研究(项目编号:201610183670)。 作者简介:胡加卓(1995,5—)，男，汉，天津人，本科在读,研究方向:高性能纤维与先进纺织。

通讯作者:栾加双(1973，9—)，男，汉，吉林德惠人，博士，副教授,研究方向:纤维材料及复合材料，E-mail:luanjs@jlu.edu.cn。

科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION91

科技资讯

2017 NO.21

SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION

工 业 技 术

图1 光学显微照片显示冷却板的微观结构,左右分别为快速冷却和慢速冷却[1]

图2 等离子体刻蚀技术制备的快速冷却(左)和慢速冷却(右)

样品的扫描电镜照片[2]

冷却速率下的球晶形态。从图1和图2可以观察到,较快的冷却板通常显示孤立的碳纤维成核球晶,而缓慢冷却的条件下显示出更大的纤维成核球晶。

Blundell等人[2]研究了通过高锰酸蚀刻技术在APC-2/AS4

图3 标准层压板横截面的蚀刻扫描电镜照片:(a)缓慢冷却;

(b)淬火后退火[2]

的压缩强度范围为1100～1400MPa。表1列出了具有不同计量距离的复合材料的抗压强度测量值。随着标距长度的减少,对应的抗压值会越高,这可能是由于非常短的标距长度,并且了一定量的泊松膨胀,因此抑制了较低的能量故障模式(例如,）。

Silverman和Jones[6]研究了由APC-2和混合纤维制备的复合

复合材料内部形成的PEEK基体中的晶体球晶生长习性和成核过.com.cn. All Rights Reserved.程(图3)。

2 力学性能

Jen等人[3]研究了无缺口和缺口交叉层和准各向同性APC-2层压板在高温下的机械性能。发现随着温度的增加,两种层压板的抗拉强度和模量在不同程度下降。而对于缺口的试样,随着孔直径的增加,两个叠层的极限强度严重降低。

Leeser和Leach[4]发现了这些失效模式:欧拉屈曲、纤维剪切、纵向、分层、纤维微屈曲和剪切劈裂。多种失效机理的组合导致在不同测试条件下复合材料的抗压强度的差异。对于具有61%的高强度碳纤维体积含量的CCF/PEEK复合材料,由Lee[5]测量

材料的轴向弯曲性能。结果表明,APC-2的强度比混合纤维高30%,弯曲强度和弯曲模量分别为1687MPa和108GPa。由于树脂的良好润湿性,APC-2复合材料的质量更好,这是其优异弯曲性能的原因。Hartness研究了APC在不同测试温度下弯曲性能的变化。发现当温度高于基体的玻璃化转变温度时,复合材料的弯曲性能开始显示显著的降低。

3 加工工艺

Beehag和Ye[7]研究了冷却速率对单向混合CCF/PEEK复合

表1 标距长度对复合材料(XA-S/914C)抗压强度影响[5]

标距长度(mm) 12.5 6 3 压缩强度(MPa) 1120±66 1409±206 1405±40 数据范围(MPa) 991～1235 1085～1650 1346～1459 表2 不同的冷却速率对单向混合CCF/PEEK复合材料固化质量和横向弯曲性能影响[8]

冷却速率(C/min) 3 10 175 o空隙率(%) 图像分析 密度测试 8.9 11.2 5.5 9.0 3.1 4.6 横向弹性模量(GPa) 5.2 7.6 8.2 弯曲强度(MPa) 60 90 110 92科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION

工 业 技 术

图4 CCF/PEEK复合材料I型和II型层间断裂性能与冷却压力

的关系[9]

材料的固结质量和横向弯曲性能的影响。表2表明冷却速率对混合的CCF/PEEK复合材料的影响可能不如确保加工期间复合材料的固化质量重要。

加工条件对CCF/PEEK复合材料界面强度的影响由Vu-Khanh和Denault[8]证明。他们发现APC-2在成型温度下的短梁剪切强度远高于混合系统,APC-2的性能不受在400℃的饱压时间影响,直到发生基体退化。随成型温度增加,NCS-1025的短梁强度也会增加。当温度高于约460℃时,APC-2和NCS-1025复合材料的性能由于界面的降解而降低。同时二又都受冷却速率的影

响。随着冷却速率的增加,APC-2的短梁剪切强度达到约73MPa

的最高值,而NCS-1025复合材料的短梁剪切强度随着冷却速率的增加而连续降低。

Beehag和Ye[9]研究了冷却压力对混合CCF/PEEK复合材料的层间断裂性能的影响。从图7可以观察到,模式I层间断裂韧性开始随着冷却压力的增加而增加,然后减小,最终达到稳定值,而模式II层间断裂韧性仅随着冷却压力增加而增加。此外,Beehag和Ye[10]研究了混合CCF/PEEK复合材料的固化质量和层间断裂性之间的关系。证明模式I层间断裂韧性与固化质量几乎没有直接相关性,而模式II断裂韧性明显增加,固化质量会降低(图4)。

Gao等人[12]还发现CCF/PEEK的耐冲击性优于CCF/EP。显然CCF/PEEK具有更好的耐冲击性,而且快速冷却的CCF/PEEK具有最好的耐冲击性(图5)。

4 结语

连续碳纤维增强聚醚醚酮(CCF/PEEK)复合材料以其优异的性能自其诞生以来,愈来愈受到各行业的强烈关注。几十年研究热度不减,足以证明其潜在的广泛的巨大应用空间。随着其加工技术的提高,CCF/PEEK复合材料必能在一些环境,尤其苛刻环境中得到广泛的应用,为解决某些工程问题提供可靠的高性能材料。

2017 NO.21

SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION

科技资讯

图5 碳纤维/环氧树脂受冲击截面图,冲击能量:30 J[11]

参考文献

[1]A Lustiger,FS Uralil,GM Newaz.Processing and Struc-tural Optimization of PEEK Composites[J].Polym.Compos.,2011,11(1):65-75.

[2]DJ Blundell,RA Crick,B Fife,et al.Spherulitic Mor-phology of the Matrix of Thermoplastic PEEK/CarbonFibre Aromatic Polymer Composites[J].J.Materi. Sci.,19,24(6):2057-20.

[3]MHR Jen,YC Tseng,SC Chang,et al.Mechanical Prop-erties in Notched AS-4/PEEK APC-2 Composite Lami-nates at Elevated Temperature[J].J.Compos. Mater.,2006,40(11):955-969.

[4]D Leeser,DC Leach.Compressive Properties of Thermo-plastic Matrix Composites[A].34th Int.SAMPE Sym.[C].19:14-1473.

[5]RJ Lee.Compression Strength of Aligned Carbon Fi-ber-Reinforced Thermoplastic Laminates[J].Composites.,1987(18):1-12.

[6]EM Silverman,RJ Jones.Property and Processing Per-formance of Graphite/PEEK Prepreg Tapes and Fabrics[J].SAMPE.J.,1988(25):38-47.

[7]A Beehag,LYe.Influence of cooling Rate on Interlaminar

Fracture Properties of Unidirectional Commingled CF/

PEEK Composites[J].Appl.Compos.Mater.,1995(2):135-151.

[8]T Vu-Khanh,J Denault.Effect of Molding Parameters

on the Interfacial Strength in PEEK/Carbon Composites[J].J. Reinf. Plast.Compos.,1993(12):916-931.[9]A Beehag,L Ye.Role of Cooling Pressure on Interlaminar

(下转95页)

科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION93

.com.cn. All Rights Reserved.工 业 技 术

象作为权利的象征得到广泛的认同并一直沿用至清朝,是人们将精神、意识与图案契合的充分体现。

普通人的衣着上用祥云、星辰、流水等图案装饰,反映出古人对于大自然的无限向往崇敬,也是在与大自然对抗的过程中对于自然的敬畏。果实、食物等充分说明对于生活的热爱,把生活中息息相关的事物图形化、图案化。儿童的衣着上不同的图案有着不同的寓意,大多区吉祥之意,有的则是由避灾除难的寓意。连理枝、蝴蝶、鸳鸯等图案则是象征着美好的爱情,对爱人的相思之情。老人的衣着上则是“寿”字,寓意长寿,可以说是“有图必有意,有意必吉祥”,图案是人们对生活的向往,更是对生活的希望,将美好的祝福寄托在图案之中。

现代着装中图案的种类繁多,样式也是多种多样。随着东西方文化的交汇大融合,西方图案纹样大大地流行,传统的图案渐渐地淡出人们的视线。现在图案在服装设计中的运用更多地是突出个性,不趋同,是尊重的需要和穿衣者自我实现的需要,还具有品牌的象征性,例如很多国际大牌将其品牌LOGO设计在醒目位置很容易传达服装整体的理念,同时凸显了品牌效应刺激了人们的思想以及情感体验,无疑这样的图案设计也大大增加了产品的附加值。

不难发现传统图案在服装设计中的运用在近代服装的发展中沉溺了相当长的时间,这些年随着人们对于保护传统文化的意识

2017 NO.21

SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION

科技资讯

相结合此项工作效率会大大地提升,将收集的纹样资料通过扫描、Photoshop等工具进行信息数据的录入,但凡涉及到细节、色彩、式样等方面的更改能及时进行修改、存储,而且利于传播和发展。

Photoshop是常用的图像编辑软件,目前不论是在服装款式设计还是板式设计中都运用广泛,能够按照需要随时将参数进行设定。能够提供较大的操作空间,图案能够快速生成图像。Coreldraw属于矢量图绘画软件直观、便捷、画质清晰能,够仿制和再制图案,能够根据实际需要绘制矢量图形进行进一步加工和设计。目前图案的资料分布较为分散,设计师在运用时,多靠自己查阅相关书籍获取图案的信息,这些信息有的不够完善,有的已经大部分损毁,不利于现在的使用更别提设计了,软件的使用使得图案数据标准库的建立成为可能。随着标准库的建立,使得传统图案的以保存,按照不同类别、时期进行分类更是利于多方面文化的研究和学习,而且图案在设计的使用中更加便捷,更容易被设计师作为设计元素进行创新再设计。

利用当下的服装时尚带动传统图案的传承、发展,使得更多的图案新设计能够直观地出现在大众的眼前,让人们发自内心地重新认知传统图案,更好地传承下去。利用数字化技术使得图案更加利于传播,从教育方面,对学生进行传统图案的教学,激发学生对传统图案以及传统文化的喜爱以及保护,利用好我国灿烂的历史遗留下来的瑰宝。

.com.cn. All Rights Reserved.增强,传统图案又渐渐地出现在人们的视野当中。国内很多品牌

开始设计传统服装,这其中相当一部分将传统图案的设计运用到整个服装系列当中,尤其是设计师与明星联袂展示了许多优秀的传统新设计,让我国的传统文化得到了国际许多设计师的认可,也获得了国人更多的关注,让传统文化更好地在“民间”有所发展。

对于图案在服装中的运用,不是指直接将传统图案、纹样直接照搬,而是在有所保留的基础上有所创新,结合当下的流行趋势、文化发展趋势融入到服装设计当中去。这就要求人们对传统图案要有一定的认知和了解,那么传统图案的资料收集、整理就显得尤为重要,以往传统图案需要颜料、纸张、画笔等工具,最重要的是不善于更改、变化使用效率低制约性相对较大。与数字化技术

参考文献

[1]李旭.服装数字化技术基本特征分析[J].纺织学报,2005,26

(5):140-142.

[2]杨晓丽.三维数字化技术在服装中的应用[J].山东纺织经济,

2007(3):80-81.

[3]李敏,张营利,胡宁.数字化技术在服装行业中的应用[J].针织

工业,2011(3):59-60.

[4]段然，刘晓刚.少数民族服饰元素在数字化服装设计中的应

用[J].贵州民族研究,2016(10):127-130.

(上接93页)

Fracture Properties of Commingled CF/PEEK Composites[J].Compos. Part A Appl.Sci.Manuf.,1996(27):175-182.[10]A Beehag,L.Ye.Consolidation and Interlaminar Frac-ture Properties of Unidirectional Commingled CF/PEEKComposites[J].J. Thermoplast. Compos. Mater.,1996(9):129-150.

[11]SL Gao,JK Kim.Cooling Rate Influences in Carbon

Fibre/PEEK Composites.Part III:Impact DamagePerformance[J].Compos. A Appl. Sci. Manuf.,2001(32):775-785.

科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION95