碳纤维增强高分子基复合材料的制备与性能研究

2018年第04期 工业技术创新Industrial Technology Innovation

· 26 ·3D打印碳纤维增强陶瓷基复合材料力学性能研究姜鑫，胡福文（北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144）摘 要： 陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐磨、耐腐蚀等优良特性，具有广泛的应用前景。基于陶瓷浆料挤出的自由挤出成型工艺是复杂陶瓷制件成型的重要发展方向。同时，对陶瓷材料的增强改性亦是目前研究的热点问题。选用短切碳纤维作为增强相改性陶瓷浆料，通过自由挤出成型工艺成型陶瓷构件。使用长度为0.3 mm的短切碳纤维作为增强相制备混合浆料。通过陶瓷浆料3D打印机打印成型坯体，坯体成型后用热风辐射干燥。充分干燥后的坯件经过烧结，得到致密度较高的陶瓷制件。通过压缩试验对制得的试验件进行性能研究。分析得到，随着纤维含量的增加，试验件断裂韧性有所提升。制得的碳纤维含量为5 wt.%的试验件表现出更好的断裂韧性性能。关键词： 纤维增强；陶瓷基复合材料；3D打印；力学性能中图分类号：TB301 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 (2018) 04-026-04工业技术创新 URL: http: // DOI: 10.14103/j.issn.2095-8412.2018.04.005

工业技术创新第05卷 第04期 2018年8月Industrial Technology InnovationVol.05 No.04 Aug.2018

引言陶瓷材料具有耐高温、高强度、低密度等优异性能，在工业制造、航空航天、生物医疗等领域有着广泛应用潜力[1]。但是，陶瓷材料的脆性较大、可靠性差等缺陷又阻碍了其实用化，严重限制了其在承载力、可靠性要求高的技术领域中的广泛应用[2]。因此，需要对其进行增强改性处理。随着3D打印技术的发展及工程应用的需求，纤维增强复合材料的3D打印备受关注[3]。Soydan Ozcan等研究人员采用长度为0.2~0.4 mm的短切碳纤维作为增强相[4]，在220℃条件下将其与ABS树脂混合，分别制备出质量分数为10、20、30、40 wt%的碳纤维增强ABS丝材。实验结果表明，其拉伸强度提高15%，而模量提高600%。中南大学肖路军等[5]以3D打印多孔PLA结构为基体，制备碳纤维增强碳化硅三维网状多孔陶瓷复合材料。性能测试结果表明，随着打印件的骨架直径的增大，所制备的多孔陶瓷复合材料的孔隙率逐渐减小，而其表观密度、骨架密度、压缩强度、导热系数逐渐增加。哈工大何培刚等[6]采用机械搅拌法制备了短碳化硅纤维增强铝硅酸盐聚合物复合材料。结果表明，长度为5 mm且含量为2.0%（体积分数）的复合材料力学性能最优，并表现出韧性断裂特征。综合分析，采用长纤维来增强增韧陶瓷基复合材料的工艺复杂、技术难度大、制造成本较高；以短切纤维作为增韧体的陶瓷基复合材料可解决长纤增强材料中的各向异性问题，并且不需要纤维编织及缠绕，制备工艺简单、成本相对较低[7]。此外，碳纤维的高温性能非常好，且具有比强度高、比模量大等优点，被广泛用于复合材料的增强材料[8]。用碳纤维等改性不仅能够提高力学性能，而且在热稳定性等方面有改善作用[9]。1 实验平台及材料1.1 打印平台陶瓷材料挤出成型过程的关键机构大致有三：打印喷嘴的运动机构、陶瓷浆料的输送机构、陶瓷浆料的挤出机构[10,11]。本文选用活塞式料筒作为送料机构，螺杆机构作为挤出成型主体挤出机构。工作方式为利用气压推动料筒活塞运动，将料筒中的陶瓷浆料经由输送管道送达挤出装置，再利用螺旋绞刀的推力，使得浆料经由打印喷嘴挤出。浆料挤出的同时，配合3D打印机的三维运动，从而打印出指定零件。图1所示为搭建完成的陶瓷3D打印平台整体结构。1.2 混合浆料制备陶瓷材料的原材料通常由陶土或高岭土制得。原材料通常经过混合搅拌、捏合（练泥）和排出气体等几个步骤。对于含短切碳纤维的混合浆料来说，由于短切纤维易于堆积成束，堵塞打印喷嘴，所以选用的纤维不宜较长，且混合要足够充分，避免纤维堆积，姜鑫，等：3D打印碳纤维增强陶瓷基复合材料力学性能研究

碳纤维增强环氧树脂预浸料及其复合材料的制备与性能研究

碳纤维增强环氧树脂预浸料是碳纤维增强环氧树脂复合材料的中间产物,其性能的好坏直接影响复合材料的性能好坏,因此,在预浸料生产过程中,对树脂基体配方、预浸料的加工工艺的研究至关重要。本文以固、液环氧树脂的复配体系为树脂基体,选择了液体环氧树脂E-51、固体环氧树脂CYD-011和固化剂4,4’-二氨基二苯基砜(DDS,[(NH2)]C6H4]2SO2)作为树脂基体组分,研究了碳纤维增强环氧树脂预浸料的制备及其复合材料的性能。

根据热熔膜法制备预浸料的要求,通过对树脂基体配方研究得知,当E-51环氧树脂：CYD-011环氧树脂：DDS=50：50：22.58时能得到具有一定强度和韧性,可弯曲而不断裂的树脂胶膜。并经过对碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备工艺研究,含胶量为40%较为合适,固化制度为140℃/2h+160℃/2h+180℃/2h、压力为0.4～0.6MPa、加压点为140℃/1h时复合材料力学性能为最优,复合材料的0°弯曲强度为1478MPa,层间剪切强度为82MPa。

在文中,还采用等温DSC法研究了环氧树脂与4,4’-二氨基二苯基砜体系的固化反应过程,研究发现固化反应中出现“转折点”,当固化度小于50%时属于Kamal自催化模型；当固化度大于50%时属于n级固化模型,即固化反应由Kamal自催化反应向n级反应转变。转变后,反应活化能有所下降。

碳纤维增强陶瓷基复合材料的制备及性能研究

碳纤维增强陶瓷基复合材料是一种具有优异性能的复合材料，具有高强度、高刚度、低密度、高温耐性、抗腐蚀等优点，被广泛应用于航空、航天、汽车、新能源等领域。本文将对碳纤维增强陶瓷基复合材料的制备及其性能研究进行探讨。

1. 背景

传统金属材料存在密度大、重量重、强度低等问题，难以满足现代工业的需求。而复合材料的出现解决了这一问题，毫不夸张地说，“复合材料就是未来工业的材料”。其中最为突出的就是碳纤维增强陶瓷基复合材料。

2. 制备方法

制备碳纤维增强陶瓷基复合材料的方法有多种，其中最为常见的是热压法和热处理法。

热压法是将预先制备的碳纤维增强陶瓷基复合材料在高温高压下进行加热压制，使其形成连续的结构。这种方法适用于制备块状和板状复合材料。

热处理法则是先将碳纤维增强材料进行数次高温氧化处理，使其表面形成含有氧的层，然后进行碳化处理和陶瓷化处理，最终得到陶瓷基复合材料。这种方法适用于制备复杂形状的复合材料。

3. 性能研究

碳纤维增强陶瓷基复合材料具有优异的性能，如高强度、高刚度、低密度、高温耐性、抗腐蚀等，其力学性能和热学性能是研究的重点。

力学性能研究主要包括拉伸强度、屈服强度、断裂韧性等指标的测试和评估。热学性能研究主要包括热膨胀系数、导热系数、热稳定性等指标的测试和评估。 研究表明，碳纤维增强陶瓷基复合材料的力学性能远远优于传统金属材料，具有极高的强度和刚度；而其热学性能也表现出卓越的优势，具有很高的耐热性和热稳定性。

4. 应用前景

碳纤维增强陶瓷基复合材料具有广泛的应用前景。在航空和航天产业中，用以制造减重、高刚度、高强度的重要部件；在汽车产业中，用于制造轻量化结构件和发动机；在新能源领域，用于制造高温耐受的储能材料等。

总之，碳纤维增强陶瓷基复合材料具有优异的性能和广泛的应用前景，能够为现代工业的发展做出巨大的贡献。

炭 / 炭复合材料的制备及研究进展

摘要： 综合国内外各种文献资料，总结了炭炭复合材料的用途、制备工艺，简要介绍了几种 主要的致密化方法，并对炭炭复合材料的抗氧化研究、石墨化研究做了初步的介绍，最后提 出了炭炭复合材料今后发展的方向 .

关键词： 炭炭复合材料，致密化，化学气相沉积，抗氧化，石墨化 .

1 引言

炭/ 炭复合材料是具有优异耐高温性能的结构与功能一体化工程材料。它和其 它高性能复合材料相同 , 是由纤维增强相和基体相组成的一种复合结构 , 不同之处 是增强相和基体相均由具有特殊性能的纯碳组成 [1-2] 。炭 / 炭复合材料具有低密 度、高强度、低烧蚀率、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、不放气、在2 000 C 以内强度和模量随温度升高而增加、良好的抗疲劳性能、优异的摩擦磨损性能和 生物相容性 （组织成分及力学性能上均相容 ） 、对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强 度增加等性能 [1-3] ,

使炭/ 炭复合材料在众多领域有着广泛用途。

在发达国家，炭 / 炭复合材料已被成功用于航天飞机的机翼前缘、鼻锥、货舱 门，高推动比战机发动机的涡轮，高性能火箭发动机喷管、喉衬、燃烧室等，新 一代先进飞机、坦克、赛车、高速列车等的刹车材料，以及火箭、飞机的密封圈 等构件[4] ，同时，炭 / 炭复合材料作为生物医学材料，人造心脏瓣膜、人工骨、牙 种植体及作为植入材料用于矫形是近年来的研究重点 [5-7] ; 作为智能材料，由于其 受拉力后电阻增加，是很好的拉伸传感器，具有广阔的发展前景 [8] 。

炭/炭复合材料由碳纤维增强碳基体复合而成。碳基体以热解炭的形式存在， 由碳源先驱体经热解碳化而成。炭 /炭复合材料的制备工艺包括 : 碳纤维及其结构 的选择;

基体碳先驱物的选择 ; 炭/炭复合材料坯体的成型工艺 ; 坯体的致密化工艺 以及工序间和最终产品的加工等 [9] 。其中，关键技术在于坯体的致密化。