pg电子最新网站入口【复材资讯】碳纤维增强树脂基复合材料界面改性及应用进展
轻质高强的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在碳达峰和碳中和的国家战略中展现出重要的研究价值,提高复合材料界面结合强度是重点和难点问题。针对碳纤维表面浸润性差和力学性能转化率低的问题,简述了CFRP界面增强理论和碳纤维表面处理方法,重点阐述了氧化法、化学接枝和涂层法,用物理或化学手段提高复合材料力学性能。此外,从热固性树脂和热塑性树脂两种基体材料的各自性能特点分析了碳纤维与树脂基体适配性的问题,提出了不同的解决方案。最后,介绍了CFRP在航空、风电叶片和新能源汽车领域的研究进展,提出了飞机轻量化、风机大型化和电车普及背景下材料研究的发展建议,如优化针对高强或高模等具有不同表面形态碳纤维的特定表面改性技术,开发针对不同树脂的改性方法,研发不同类别及应用场景下的碳纤维上浆剂,加强复合材料界面增强理论和界面表征技术研究,制定碳纤维复合材料标准化体系。
碳纤维(CF)是一种碳含量超过90%(质量分数,下同)的无机纤维材料,其分子构造介于石墨和金刚石之间,呈现出混合层状的石墨结构[1-2]。CF的主要应用形式是作为承力结构制备CF增强树脂基复合材料(CFRP),具有轻质高强的特点。与普通金属材料相比,CFRP的密度更低,抗腐蚀性能更强。同时,它还具有减振、耐高温和耐疲劳等优点,综合性能优异[3]。空客A350和波音787的机身上都使用了CFRP材料,质量占比超过了50%。并且,轻质高强的CFRP在风电叶片、新能源汽车等领域具有巨大的发展潜力,可以有效解决大风力环境下长叶片材料的密度、强度、模量和耐疲劳性能难以平衡的问题和电池系统下汽车里程低的问题[4]。此外,模拟计算的出现加快了复合材料成型的进程,通过数值模拟纤维增强树脂基复合材料成型过程可以更精确调控树脂的固化和成型[5]。在2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”的双碳目标背景下,CF及CFRP成为热点研究方向,是经济结构转型,实现节能减排、绿色发展的优势材料。图1系统描述了CFRP的全产业链,CF、树脂基体两种原材料通过界面改性提高复合材料性能,最终实现应用。
根据碳源种类,CF可以被划分为黏胶基CF、沥青基CF以及聚丙烯腈(PAN)基CF[6]。其中黏胶基CF防隔热,沥青基CF高导热,PAN基CF不仅兼具良好结构与功能特性,还具有耐高温、耐腐蚀、高比强度和高比模量的特性,是高性能CF的主导品种[7]。PAN 基CF的制造工艺涉及聚合、纺丝、预氧化、碳化和高温石墨化等,技术路线复杂,因而CF产品易出现性能差异大、稳定性不足的问题[2]。日本东丽公司将CF分为四个类型:高强(T700S等)、高强中模(T800S等)、高模(M40等)和高强高模(M50J等)型,国产CF一般也依据上述型号性能分类[8-9]。高模碳纤维(HMCF)需要在CF的基础上进行高温石墨化处理,但是石墨化程度的提升也会增加纤维的表面惰性[10]。惰性表面会造成CF与树脂间浸润性差,附着力低,导致界面结合强度弱,严重降低复合材料力学性能[11-12]。CF自身的力学性能优异,但是如何提高其组装为复合材料时的纤维力学性能转化率是研究难点。
界面结合强度是影响复合材料综合力学性能的关键因素,改善CF表面惰性,提高其与树脂的结合强度具有重要的研究意义和价值。因此,本文重点总结了CF表面处理技术和复合材料界面改性方法的研究进展,并从热固性和热塑性树脂两方面阐述了CF与树脂基体适配性的问题,最后展望了CFRP的应用情况和需要持续关注的研究方向。
界面相是复合材料中的研究重点,界面处理的目的是增强纤维与树脂基体的黏结力,使得复合材料间实现模量的平稳过渡,使纤维和树脂基体间的应力均匀传递,防止应力集中,进而增强纤维复合材料的完整性,提高力学性能[13]。CF表面惰性、浸润性差,与树脂基体的黏附性差,严重限制了CF基复合材料的发展。
纤维和树脂间的结合方式可分为以机械锁合、吸附、范德华力和氢键等为主的物理结合和以共价键等为主的化学结合[14]。界面研究的重点在于纤维和树脂基体间的润湿性、机械锁合和化学结合。CF复合材料界面增强理论是研究的重点方向[15],主要包括:(1)机械互锁理论,研究纤维的粗糙度和表面结构[16];(2)化学键理论,研究纤维表面接枝可反应的官能团和共价键等;(3)浸润性理论,研究纤维表面与基体的浸润性能;(4)扩散理论,研究纤维和树脂基体间分子间相互作用力等;(5)吸附理论,研究纤维和树脂间的范德华力、氢键和静电相互作用等非共价键;(6)过渡层理论,研究模量过渡层,缓解由纤维和树脂间的模量差异过大而引起的应力集中问题;(7)柔性界面层理论,研究模量低于纤维和树脂的界面。