碳纤维增强尼龙复合材料的进展

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1、1997年第18卷第3期华北工学院学报Vol.18No.31997(总第59期)JOURNALOFNORTHCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY(SumNo.59)碳纤维增强尼龙复合材料的进展郭新张学东陈成(华北工学院,太原030051)摘要作者介绍了近期国外在碳纤维增强尼龙复合材料应用、加工及形态结构研究方面的进展,并对其技术开发动向和发展趋势作出了展望.关键词碳纤维;尼龙;复合材料分类号TQ050.431碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的发展碳纤维增强热塑性塑料是树脂基复合材料中的一个重要品种,由于其综合性能优异,近年来其用途及产量逐步扩大

2、.70年代以前,碳纤维增强热塑性塑料被看作是一种昂贵的材料,价格约为玻璃纤维增强复合材料的10倍以上,只用于军工、宇航工业等特殊行业.80年代以后,碳纤维从原料来源及制作技术等方面都有了较大的突破,因此,其每年的产量增长速度达50%以上.这种增长不仅满足了传统工业部门的需求,而且为许多新的需求提供了可能.同其它材料类同,性能和成本也是影响碳纤维增强热塑性复合材料的发展的两个重要因素.自碳纤维增强热塑性复合材料问世以来,人们就对这一材料进行了不断认识和不断改善,而碳纤维复合材料可满足许多其它材料无法达到性能的突出特点,促使人们把目光日益投向了碳纤维增强复合材料

3、.同时,碳纤维的质量以及纤维/基体掺混技术的不断进步,使得加入复合材料中的碳纤维比例不断上升,而价格却不断下降,目前已[1]可达50%以上的体积比,材料效费比不断提高.碳纤维复合材料可分为长(连续)纤维增强和短纤维增强两大类,纤维长度可从(300～400)m到几个毫米不等.过去10年中,人们在改进不同种类的碳纤维复合材料加工方法和性能方面投入了大量的研究,从预浸树脂到模塑法加工,从短纤维掺混塑料注射加工到层压成型,在碳纤维复合材料及制品制作方面积累了很多成功的经验.目前普遍认为,长(连续)纤维有其性能高强、高韧方面的优越性,短切纤维有加工性好的特点.因此,长

4、碳纤维复合材料在加工上完善成型工艺,短碳纤维复合材料进一步提高力学性能是碳纤维复合材料发展的方向.收稿日期:1997-01-11第一作者男1971年出生硕士(总第59期)碳纤维增强尼龙复合材料的进展(郭新等)2392碳纤维增强尼龙复合材料聚酰胺(尼龙)工程塑料自50年代美国杜邦公司工业化生产以来,已有近50年的历史,在与其它工程塑料的激烈竞争中,其产量稳步增长,目前居五大工程塑料之首.基于其自身的特点,市场需求和新技术的开发,目前尼龙已成为一种极为重要的工程塑料,随着高附加值改性产品的不断涌现,应用领域日趋扩大,预计今后尼龙的产量和质量在各种工程塑料中仍将居

5、领先地位.尼龙本身是性能优异的工程塑料,但吸湿性大,制品尺寸稳定性差,强度与硬度也远远不如金属.为了克服这些缺点,早在70年代以前,人们就采用碳纤维或其它品种的纤维进行增强以改善其性能.用碳纤维增强尼龙材料近年来发展很快,因为尼龙和碳纤维都是工程塑料领域性能优异的材料,其复合材料综合体现了二者的优越性,如强度与刚性比未增强的尼龙高很多,高温蠕变小,热稳定性显著提高,尺寸精度好,耐磨,阻尼[2～3]性优良,与玻纤增强相比有更好的性能.除了以短切或长(连续)碳纤维作为增强材料外,目前国外大多采用尼龙-6或尼龙-66作为基体材料,这是因为上述原料来源于石油且产量较

6、大的原因.美国Wilson-Fiberfil国际公司使用40%碳纤维增强尼龙-66,其弯曲强度提高到2758MPa,拉伸强度为317.2MPa;添加30%碳纤维,其磨损因素达20,为尼龙-66本位的1/10;添加[4]20%碳纤维,其弯曲强度与添加40%的玻纤增强相同,达到294MPa.由于碳纤维增强尼龙材料具有很多优点,近年来一直是工程塑料增强研究的一个重点,国内外对其应用、加工及形态学等方面的研究处于不断发展之中.3碳纤维增强尼龙的最新发展3.1应用3.1.1汽车工业碳纤维增强尼龙复合材料日益应用于汽车工业中,作为发动机内部零件,汽车工业在使用增强及自润

7、滑的高性能复合材料上进展很快.这主要是因为上述材料的耐油性、耐磨性和抗蠕变性极佳,代替传统的金属材料时有重量轻的优势,包括尼龙-66在内的多种工程塑料被碳纤维增强后正逐步取代原来汽车用金属压铸构件,如燃料箱及其附件[5,6]等等,在这方面碳纤维增强复合材料提供了理想的重量与强度比.据报导,在汽车内燃机同步驱动齿轮中使用上述材料,德国重型柴油机采用计算机模拟设计和加载与往复运动实验制造了齿轮管接头等零件,这些零件以前全部是由钢铁材料制造的,其齿牙的强度经过计算且疲劳强度经加载实验而定型.此外,巴斯夫公司还开发了多种用于汽车的碳纤维增强尼龙,可使用注射法生产,具

8、有高刚性、抗温变性和尺寸稳定性,其吸水性低,有良好的