复合材料论文

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聚合物复合材料论文

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碳纤维增强双酚A型环氧树脂复合材料的研究 1020741 12 高峰

碳纤维增强双酚A型环氧树脂复合材料的研究

摘要：碳纤维（CF）增强树脂基复合材料（CFRP）是先进复合材料的典型代表，具有密度小、力学性能优异、耐热、耐低温等优点，在航空航天、军事、汽车、体育等领域具有重要的应用前景，但是碳纤维表面光滑呈惰性，与树脂基体的界面粘结性差，限制了CFRP复合材料性能的发挥。针对这一问题，本文采用PAN基碳纤维和双酚A型环氧树脂作为复合材料的增强相和树脂基体，展开CF的表面处理及其CFRP复合材料界面性能的研究。本文采用氨水处理和浓HNO3处理碳纤维表面，通过单丝拔出实验测试复合材料的界面结合强度来表征复合材料的界面粘结性能，并分析了机械锚定和化学键合两种作用共同出现并对复合材料界面性能起改善作用时，两个因素之间的关系，以及起主导作用的因素，对碳纤维与树脂间相容性机理的研究具有知道作用。

关键词：碳纤维；环氧树脂；复合材料；表面处理；界面性能

1、引言

1.1碳纤维概述

碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化和石墨化制成的纤维状碳，是一种高性能的先进非金属材料。根据原料不同，碳纤维可分为聚丙烯腈（PAN）系碳纤维、沥青系碳纤维、黏胶系碳纤维、人造丝系碳纤维等。其中聚丙烯腈基碳纤维综合性能最好，产量占碳纤维总产量的90％以上。由于原料及制法不同，所得碳纤维的性能也不一样。根据力学性能的不同，碳纤维可分为超高强度碳纤维（UHS）、高强度碳纤维（HS）、超高模量碳纤维（UHM）、高模量碳纤维（HM）、中等模量碳纤维（MM）、普通碳纤维等等。

我国对碳纤维的研究始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维。目前，利用自主技术研制的少数国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水品。但是与国际水平相比，国产碳纤维强度低、平均稳定性差、毛丝多、品种单一且价格昂贵，而且国内碳纤维总生产能力较小，不能满足国内的需要，仍需大量进口。这些都严重影响了我国高新技术的发展，尤其制约了航空航天及国防军工事业的发展，与我国的经济发展进程不相称。所以研制生产高性能和高质量的碳纤维以满足军工和民用产品的需求，扭转大量进口的局面，是当前我国碳纤维工业发展的迫切任务。

碳纤维具有石墨的基本结构，但不是理想的石墨点阵结构，而是所谓的乱层石墨结构。在碳纤维形成过程中，其表面会形成各种微小的缺陷，碳纤维的表面活性与处于边缘和缺陷位置的碳原子数目有关。碳纤维的密度小，质量轻，相当于钢密度的1/4，铝合金密度的1/2；具有优异的力学性能，热稳定性优良等优点。

1.2碳纤维复合材料

尽管碳纤维单独使用发挥某些功能，但它属于脆性材料，只有将它基体材料牢固地结合在一起时，才能有效发挥其优异的力学性能。因此，碳纤维主要用作复合材料中的增强相。目前用途最广的是碳纤维增强树脂基复合材料。主要分为两大类：一类是热固性树脂，另一类是热塑性树脂。热固性树脂由反应性低分子量预聚体或带有活性基团高分子量聚合物组成；成型过程中，在固化剂或热作用下进行交联、缩聚，形成不熔不溶的交联体型结构。在复合材料中常采用的有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等。热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成，在一定条件下溶解熔融，只发生物理变化。常用的有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯等。

与传统材料相比，碳纤维增强树脂基复合材料具有耐高温、耐腐蚀、质量轻、机械强度高的优点，不仅在军事国防、航空航天等尖端领域，在汽车、电子电器、体育用品等民用领

域也得到了广泛的应用。

1.3复合材料的界面

复合材料的界面是由复合材料中增强材料表面与基体材料表面相互作用形成的。它不是简单的几何平面，而是包含着两相之间的过渡区域的三维界面相，界面相内的化学组成、分子排列、热性能、力学性能呈现连续梯度性变化。界面相很薄，是准微观的，它的结构由增强材料与基体材料表面的组成及二者之间的反应性能决定的。在两相复合过程中，会出现热应力、界面化学效应和界面结晶效应，这些效应对复合材料的宏观性能产生直接的影响。

对于纤维树脂基复合材料，其界面的形成可以分为两个阶段，第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程。这一过程主要取决于纤维和基体的表面自由能，具有高表面自由能的纤维与基体浸润性好，粘结界面可形成大的分子间作用力，因此具有高地粘结强度；第二阶段是纤维与基体间通过相互作用来使界面固定下来，形成固定的界面层。这一阶段受第一阶段的影响，同时也直接决定着所形成界面层的结构。

2、界面层的作用机理简介

在组成复合材料的两相中，一般总有一相以溶液或熔融的流动状态与另一相接触，然后经固化反应使两相结合在一起形成复合材料。在这一过程中，两相间的作用机理一直是人们所关心的问题。目前，有关复合材料界面作用机理主要有以下几种理论：

2.1机械粘结理论

机械粘结理论认为纤维表面存在高低不平的峰谷和细微的孔洞结构，当树脂基体填充并固结后，树脂和纤维表面产生机械性的互锁现象，而此种粘接作用的强弱与纤维表面的粗糙程度及树脂基体在复合材料制备过程中对于纤维的润湿性大小有很大的关联。

2.2化学键合理论

化学键合理论认为要使纤维与树脂基体间实现有效的粘结，两相的表面应含有能相互发生化学反应的活性基团，通过官能团的反应以化学键结合形成界面。若两相之间不能直接进行化学反应，也可通过偶联剂的媒介作用以化学键的方式互相结合。表面处理在纤维表面引入-COOH、-OH等活性基团，使纤维与树脂基体在界面形成化学键，提高了纤维与树脂基体的反应能力与粘结强度。目前，化学键合理论是应用最广也是应用最成功的理论，但是有些现象难以用化学键合理论做出令人满意的解释。

2.3过渡层理论

复合材料成型时基体和增强体的热膨胀系数相差很大，在固化过程中，二者界面上就会产生附加应力，此处成型时固化收缩也会产生内应力。过渡层理论认为在基体和增强体的界面存在一个过渡层，可以起到应力松弛的作用。一种理论认为过渡层是塑性层，塑性层的形变能起到松弛应力的作用。另一种理论认为过渡层是模量介于基体和增强体之间的界面层，它能起到平均传递应力的作用。

2.4扩散理论

扩散理论是由Borozncui首先提出的。该理论认为高聚物间的相互粘结是由表面大分子相互扩散所致，即两相的分子链互相扩散、渗透、缠结而形成界面层，从而有利于提高界面粘结强度。扩散理论有很大局限性，例如，高聚物粘结剂与无机物之间显然不会发生界面扩散问题。

2.5静电理论

静电理论认为所有的粘结现象大部分可解释为界面上的电荷转移而产生电双层，两个接触的表面各带不同的正负电荷，就如同化学酸碱反应或键结合离子作用，此种结合力量的大小视电荷的密度而定，这种作用在玻璃纤维复合材料中，对添加偶联剂而言是非常重要的，硅烷类偶联剂即可能造成正负离子的效应，使得电荷相互吸引而达到粘结的目的。但静电理

论不能解释温度，湿度及其它各种因素对粘结强度的影响。

2.6摩擦理论

摩擦理论认为，基体与增强材料界面的形成完全是由于摩擦作用，基体与增强材料间的摩擦系数决定了复合材料的强度。处理剂的作用在于增加了基体与增强材料间的摩擦系数，从而使复合材料的强度提高。该理论可较好的解释复合材料界面受水等小分子物质浸入后强度下降，干燥后强度又能部分恢复现象。水等小分子浸入界面使基体与增强材料间的摩擦因数减小，界面传递应力的能力减弱，故强度降低。干燥后界面水分减少，基体与增强材料间的摩擦因数增大，传递应力的能力增加，故强度部分恢复。

复合材料的基体与增强材料间界面的形成和破坏是一个极其复杂的物理和化学过程，目前人们对界面的认识还不够深入，还没有一种理论能完善的解释各种界面现象，界面理论还有待进一步发展和完善。

3、氨水和浓HNO3对碳纤维表面处理及其增强环氧树脂界面性能研究

3.1氨水改性碳纤维及其增强环氧树脂复合材料界面性能研究实验部分

碳纤维表面光滑且呈化学惰性，与基体浸润性差，不能与基体进行有效粘合。因此，要获得界面结合性能优良的碳纤维复合材料，必须对其进行表面处理，通过表面处理可以改善碳纤维的表面浸润性，产生适合于粘结的表面形态，从而提高复合材料的界面结合性能。

复合材料界面性能的提高主要归功于纤维表面粗糙度的增大和纤维表面极性官能团的增多这两个因素。在对纤维进行表面处理时，这两个因素往往同时出现并对复合材料的界面性能的改善同时起作用，这两个因素之间的关系，以及是否存在对复合材料界面性能的提高起主要作用的因素，目前尚没有被弄清楚，这就需要对这两个影响因素进行分别研究。

实验中选用PAN基碳纤维和双酚A型环氧树脂作为复合材料的增强体和树脂基体，采用氨水处理方法对碳纤维表面进行改性。考察在24h、48h、72h、96h、120h不同处理时间下，对碳纤维增强环氧树脂复合材料的界面粘结性能的影响进行了研究。

3.2结果与讨论

界面结合强度（IFSS）是评价增强纤维与树脂基体界面粘结好坏的一个重要性能。我采用单丝拔出实验的方法得到碳纤维增强环氧树脂复合材料的界面结合强度，并研究了表面粗糙度对碳纤维增强环氧树脂复合材料界面粘结性能的影响。图3-1为A-CF/EP复合材料的界面结合强度。

由图3-1可见，A-CF/EP复合材料的界面结合强度均高于CF/EP复合材料的界面结合强度，处理时间分别为24h、48h、72h、96h时，界面结合强度分别提高了2.4%、5.2%、30.3%和31.9%，处理时间为120h时，复合材料的界面结合强度提高幅度最大，提高了55.0%。这是因为氨水处理碳纤维的刻蚀作用在其表面上形成了分子尺寸的刻蚀坑，大大提高了碳纤维表面的粗糙度和增大了其比表面积。当碳纤维与环氧树脂复合时，环氧树脂填充到碳纤维表面的刻蚀孔洞，冷却后碳纤维与环氧树脂之间就生成了凹凸不平、犬牙交错的界面，从而产生良好的机械锚定效应，使得复合材料的界面粘结强度得到增大。虽然长时间处理使纤维的单丝拉伸强度有所下降，但是复合材料界面粘结的增强有利于外界应力在纤维和树脂基体之间的传递，所以处理后A-CF/EP复合材料的界面结合强度仍然提高了。

图3-1 A-CF/EP复合材料的界面结合强度

3.3浓HNO3改性碳纤维及其增强环氧树脂复合材料界面性能研究实验部分

研究了纤维表面粗糙度的增大和纤维表面极性官能团的增多这两个因素同时存在时，如何共同对碳纤维增强环氧树脂复合材料界面性能的提高起作用，还探讨了这两个因素之间的关系以及哪一个因素对复合材料界面性能的提高起主导作用。实验中选用PAN基碳纤维和双酚A型环氧树脂作为复合材料的增强体和树脂基体，采用浓HNO3处理方法对碳纤维表面进行改性。考察在10min、20min、30min、60min、90min、4h、10h不同处理时间下，对碳纤维增强环氧树脂复合材料的界面粘结性能的影响因素进行了研究。

3.4结果与讨论

图3-2为浓HNO3处理时间对碳纤维增强环氧树脂复合材料的界面结合强度的影响。从图中可以看出，随着浓HNO3处理时间的增加，复合材料的界面结合强度呈现先增加后减小的趋势，在处理时间为90min时达到最大值44.5MPa，与CF相比增加了77.2%。

随浓HNO3时间增加，复合材料的界面结合强度呈现先增加后减小的趋势，在处理时间为90min时达到最大值44.5MPa，与CF相比增加了77.2%。纤维表面粗糙程度变化不大时，表面含氧活性官能团的数量迅速增加，已经可以与树脂基体在界面形成很强的化学粘结，但是在浓HNO3下处理10min和20min时的复合材料的界面结合强度与未处理的相比，增加幅度并不大，分别为2.4%和4.8%，这说明在浓HNO3处理碳纤维时起到的物化双效作用中，机械锚定作用对复合材料的界面粘结起主导作用。

图3-2 N-CF/EP复合材料的界面结合强度

4、结论

篇二：-复合材料论文

论文：陶瓷基复合材料的历史现状与发展

陶瓷基复合材料的历史现状与发展 ....................................................................................... 2

1 引言： ............................................................................................................................ 2

2 关键词： ........................................................................................................................ 2

3 陶瓷基复合材的历史 .................................................................................................... 2

4 陶瓷基复合材料的现状 ................................................................................................ 3

5 陶瓷基复合材料的发展 ................................................................................................ 3

参考文献： ........................................................................................................................ 4

陶瓷基复合材料的历史现状与发展

1 引言：

陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。

2 关键词：

陶瓷基复合材料 陶器 传统陶瓷 新型陶瓷 纳米陶瓷 电子陶瓷

3 陶瓷基复合材的历史

从历史来看，陶瓷基复合材料的发展大致可以分为以下三个阶段。

第一个阶段：

从陶、瓷器到近代的传统陶瓷。陶器的出现、发展和广泛应用是社会生产力的一个飞跃，同时也大大方便和丰富了人们的生活。此后的陶器经历了漫长的发展和演变过程。随着金属冶炼技术的发展，人类掌握了通过鼓风提高燃烧温度的技术，采用了含铝量较高的瓷土，发明了釉。这些陶瓷的主要成分是硅酸盐化合物，人们将这些陶瓷称为传统陶瓷。

第二个阶段：

从传统陶瓷到新型陶瓷。这一阶段起源于20世纪40到50年代，是陶瓷史上的第二次飞越。电子工业、电子工业的快速发展和宇宙开发，原子能工业的兴起，以及激光技术、传感技术、光电技术等新技术的出现，对陶瓷材料提出了很高的要求，而传统陶瓷无论在性能、品种和质量等方面都不能满足需求，这变促使人们从原料、成型和烧结工艺方面进行改进和创新：加上陶瓷科学与相邻学科的交融和创新突破，对

陶瓷的发展起到了极大的促进作用，大约只经历了半个世纪人们就实现了传统陶瓷到新型陶瓷的飞跃。该阶段存在的问题是陶瓷的脆性和高温高强等问题远未彻底 解决。 第三个阶段:

从新型陶瓷到纳米陶瓷。这一阶段起源于20世纪90年代，陶瓷发展正面临着第三次重大飞跃。人们期望21世纪初叶陶瓷科学将会在这方面取重大突破，生产许多不同与新型陶瓷的纳米陶瓷材料与制品。

4 陶瓷基复合材料的现状

传统陶瓷是以粘土为主要原料烧制而成，其成分中含硅酸盐。近代发展了不含硅酸盐的化合物陶瓷，如由氧化物、碳化物、氨化物、硼化物、硅物、硫化物或其它无机非金属材料制成的陶瓷。此外，还有在陶瓷中掺入金属的，金属陶瓷和以金属纤维或无机非金属纤维的增强陶瓷。这些陶瓷由于其化学组成、显微结构及性能不同于普通陶瓷，故称为特种陶瓷或高技术陶瓷。特种陶瓷不同的化学组成和组织结构决定了它不同的特殊性质和功能，如高强度、高硬度、高韧性、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、光电、电光、声光、磁光等。由于性能特殊，这类陶瓷可作为工程结构材料和功能材料应用于机械电子、化工、冶炼、能源、医学、激光、核反应、宇航等方面。一些经济发达国家，特别是日本、美国和西欧国家，为了加速新技术革命，为新型产业的发展奠定物质基础，投入大量人力、物力和财力研究开发特种陶瓷，因此，特种陶瓷的发展十分迅速，在技术上也有很大突破。因此，许多科学家预言：特种陶瓷在二十一世纪的科学技术发展中，必定会占据十分重要的地位。 5 陶瓷基复合材料的发展

陶瓷方面的专家们指出，目前，开发电子陶瓷的形态主要是大块材料，随着最近半导体集成电器的发展，对薄膜器件的要求有所增加，韩国现在正全力研究电子陶瓷的薄膜。其对象是压电材料、音响光学材料、电气光学材料、磁气光学材料等。为了开发适合半导体技术的有源薄膜高科技，现正研究单层及多层的薄膜技术；赋予其电气、物理功能；表面特性的解析、评价等。韩国相关部门认为，该薄膜高科产品的开发，是关系到将来高科技企业存亡的关键，同时也认识到研究开发项目应尽早实行。专家们预测，先进陶瓷开发项目的未来技术等方面，大块材料及薄膜在技术开发方面都将会有较大的进展。大块材料是以现在材料技术为基础，2000 年已经发展成相当成熟的产业。陶瓷方面的专家们同时还指出，虽然薄膜还处于技术逐步成熟阶段，但是进入 21 世纪，已经能够开发出一些先进的薄膜器件。例如，有称之为超金刚石的薄膜，由于其具有优秀的耐磨性，所以现在已用作 VC／TR 磁头的包覆材料。将来，考虑将其优秀的电气传导性和热传导性应用到微型计算机，将其优秀的耐腐蚀性和耐

放射特性应用到宇宙空间站的防护或反应堆上去，将其优秀的光学特性应用到激光振荡装置，将其耐热性应用到高温半导体，将其很高的硬度特性应用到切削工具等。与此同时，在今后先进陶瓷的研究开发中，还必须着重考虑人类社会所面临的息息相关能源和环保问题。

随着现代科学技术的发展，对材料的要求更高更严，作为具有优良性能的特种陶瓷已经得到了广泛的应用。许多现代国防工业和尖端科学技术，如航空、航天、半导体、高频技术、高温材料和各种特种用途新材料、新元件无不需要陶瓷材料。作为具有悠久历史的陶瓷，随着世界科学技术的日新月异，新型的陶瓷基复合材料必然会层出不穷，古老的陶瓷工业在新的形势下在次产生飞跃，在现在工业中放出更加灿烂的光芒。

参考文献：

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[8].李世波,徐永东,张立同;碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料的研究进展[J];材料导

报;2001年01期

篇三：复合材料论文

新型复合材料基体材料发展

李珈

（北京服装学院 100029 材料学院 高分子材料与工程专业09204班23号）

摘要

通过回顾国内外近代新型复合材料基体材料的发展，分类列举一些具体的研究成果，并总结几种基体材料的应用领域，对现存材料的一些缺点与不足进行思考，对未来基体材料的发展方向给予展望。

关键词 复合材料；基体材料

Review of the development on the Matrix for Composites

Li Jia

(Beijing institute of Fashion Technology ;100029;School of Materials Science and Engineering;

High polymer materials and Engineering;Class 09204 No.23)

Abstract: The research progress and variety applications of Matrix for Composites were summarized and reviewed in general.Details on some experimental as well as industrial achievements were listed in categories.Through considering the shortcomings of current materiels used as Matrix,bring out the basic assumption for future development in this field.

Keywords: Composites; Matrix

前言

复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，

通过物理或化学的方法组成的具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。随着人们对于高性能材料的要求日益复杂和严格，开发新型的先进的复合材料成为了人们的研究重点。因此总结和了解现代基体材料的发展对于以后的研究有着至关重要的作用。

复合材料根据基体种类可分为树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥基复合材料等。本文将集中探讨树脂基复合材料。

树脂基复合材料是最先开发和产业化推广的，因此应用面最广、产业化程度最高。根据基体的受热行为可分为热塑性复合材料和热固性复合材料。而热塑性

复合材料是发展较晚的，其中包含很多的新型较先进的材料，下面将重点探讨热塑性复合材料的研究发展。

正文

1.树脂基复合材料概述

1.1热固性树脂基复合材料

热固性树脂基复合材料是指以热固性树脂如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等为基体，以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等为增强材料制成的复合材料。

中国树脂基复合材料始于1958年，通过大量引进国外先进技术，发展相当迅猛。在建筑、防腐、轻工、交通运输、造船等工业领域以及建筑，石油化工，交通运输，航空航天及军事领域均有广泛应用。

热固性树脂基复合材料的基体材料主要有环氧树脂，聚酯，聚酰亚胺，酚醛树脂四类。其中，环氧树脂体系是先进基体材料中应用最为广泛的一种树脂体系，现代军队及航空航天领域的许多产品多用它的增强材料来做。下文中将会对一些针对环氧树脂的改性研究及应用进行详细陈述。而酚醛树脂是开发始于1910年的历史最长的合成树脂[1]。而聚酰亚胺则是另一种十分重要的集体材料，十分有名的双马来酰胺（BMI）即是一种特殊的API体系（热固性聚酰亚胺），而通过在聚酰亚胺主链上加入侧基或柔性键，则可以制得热塑性聚酰亚胺（TPI）。

1.2.热塑性树脂基复合材料

中国的热塑性树脂基复合材料开始于20 世纪80 年代末期，近十年来取得了快速发展，2000年产量达到 12 万吨，约占树脂基复合材料总产量的 17% ，与发达国家尚有差距。[2]过去基体材料主要以PA及PP为主，渐渐地作为热塑性复合材料的基体材料越来越多，如今，新型的，或者说应用于先进复合材料中的基体材料主要有亚芳基聚合物，聚苯硫醚（PPS），聚醚醚酮（PEEK），聚酰胺亚胺（PAI），热塑性聚酰亚胺（TPI），聚苯醚（PPE），以及聚硫醚砜，液晶聚合物，聚醚腈等。下文将就先进复合材料基体树脂材料进行详细的探讨。

2.先进复合材料基体材料

下面将针对聚苯硫醚（PPS），聚醚醚酮（PEEK），聚酰胺亚胺（PAI），热塑性聚酰亚胺（TPI），聚苯醚（PPE），以及聚硫醚砜，液晶聚合物，聚醚腈每种基体材料在近些年的发展以及应用领域进行逐一总结概括。

2.1 聚醚醚酮（PEEK）

2.1.1聚醚醚酮(PEEK)优势与性能

聚醚醚酮(PEEK)是一种半结晶性的芳香族线性热塑性工程塑料,由于它兼具芳香族热固性塑料的耐热性、化学稳定性,及热塑性塑料的易加工性的特点，且具有无毒、重量轻和拉伸强度、弯曲强度、抗冲击强度、抗蠕变性、抗疲劳性、耐磨损性、阻燃性、耐辐照性、电绝缘性等综合性能优良的特点，是一种被广泛使用的高性基体材料。通过将不同品种和比例的补强填料和辅助原料,如玻璃纤维、碳纤维、碳纳米管、碳粉、碳化硅、氮化硅、石墨、二硫化钼等经过特殊处理,与聚醚醚酮相复合而得到的聚醚醚酮复合材料常常具有优秀的性能。

2.1.2聚醚醚酮(PEEK)复合材料的应用

目前，此种复合材料,产品已在压力容器、压缩机、水泵、阀门等通用机械中逐渐应用,有的产品已批量生产。比如高温用PEEK复合材料生产的三瓣密封环,用在氢气压缩机上,该压缩机的工况条件恶劣,压力为60MPa,温度为260℃,含有催化剂硬质颗粒等杂质。[3]另外，用PEEK复合材料生产的水泵导轴承、隔板、径向轴承、推力盘等产品,用在舰船水泵上。这些研究开发所得到的PEEK复合材料具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、自润滑性能好、耐磨损、长寿命等优点,在汽车零部件、通用机械、工程机械、炼油、化工、宇航、军工等行业有着广泛的应用前景,是很多高强度、低磨损、长寿命零部件和产品的替代材料。

2.1.3聚醚醚酮(PEEK)的改性研究进展

自2000年以来，单一的聚醚醚酮树脂越来越难以满足人们的要求，于是国内外将研究的重点转向对于聚醚醚酮树脂的改性研究，而聚醚醚酮的改性主要有以下几种手段：

2.1.3.1 无机填料填充改性

用于填充的无机填料一般都是微米、纳米级无机颗粒，如Al2O3、CuO 、CaCO3、

SiN 、Si3N4、ZrO2等。纳米粒子化学反应活性高，并且可以与聚合物界面相互作用，因此，被广泛用于PEEK和其他聚合物的改性。

2004年山东东营石油大学机电学院的彭旭东，马红玉等人以纳米TiO2及聚四氟乙烯(PTFE)作为复合填料, 利用热压成型方法制备了纳米TiO2-PTFE填充聚

醚醚酮(PEEK)复合材料，采用销-盘式摩擦磨损试验机考察了纳米微粒对复合材料摩擦学性能的影响，并用扫描电子显微镜观察分析了复合材料磨损表面形貌.得出了填充适量TiO2 有利于PEEK/PTFE复合材料的耐磨性能的提高。[4]2008年

国外的R.K. Goyal等将PEEK粉末和Al2O3在酒精中通过磁力搅拌分散均匀,干燥

后热压成型制得复合材料试样，并研究了其耐磨性能。[5]

2.1.3.2 连续纤维增强改性

连续纤维增强一般是采用PEEK树脂与长纤维在特定的设备与工艺条件下充分浸渍制得。增强纤维为玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、麻纤维等。由于改性后的PEEK树脂具有优良的力学性能、冲击性能、耐高温性能而成为高分子复合材料研发与应用的热点领域。

2009年J.Paulo Davim 等分别以30% 碳纤维和30% 玻璃纤维为增强材料，通过挤出成型制得PEEK复合材料，研究了复合材料的耐磨性能和摩擦系数，并与纯PEEK进行对比，得出这种长纤维的添加对于PEEK增强树脂的耐磨性能改善显著，其中玻璃长纤维效果最好。[6]我国西北工业大学的吴新明,齐暑华,贺捷,理莎莎等人于同年12月对长玻纤增强注塑聚醚醚酮复合材料的加工工艺与力学性能进行了实验研究，以含30%的长玻璃纤维增强聚醚醚酮为原材料,采用注塑成型的方法研究了聚醚醚酮复合材料的加工工艺参数包括冷却速率、成型压力、成型温度及模具温度与力学性能的关系,并对模具温度为180℃时PEEK复合材料的微观形貌进行分析,得出综合性能最佳时的参数。[7]

2.1.3.3短纤维增强改性

短切纤维增强的高分子材料的突出优点是易加工成型，挤出、模压、注塑等常规加工方法均适用，短切玻璃纤维和碳纤维具有较高的强度和模量，与PEEK的亲和性好，可起到较好的增强效果。G.Zhang等以短碳纤维、石墨和聚四氟乙

烯PTFE）为填料，在400 ℃下热压成型制得PEEK复合材料，发现填充后的PEEK

[8]耐磨性提高。2009年，我国四川绵阳中国工程物理研究院化工材料研究所唐明

静等人通过熔融共混法制备了聚醚醚酮/碳纤维(PEEK/CF) 复合材料。采用差示扫描量热分析法(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、动态热机械分析仪(DMA)、微欧计、高阻计等考察了复合材料的热性能和电性能。[9]该文通过研究聚醚醚酮/碳纤维复合材料的热性能和电性能,得出了有利于拓宽高性能聚合物复合材料在航天、航空和军事领域的应用的研究结果。

2.1.3.4 晶须增强改性

晶须是指高纯度单晶生长而成的直径几微米、长度几十微米的单晶纤维。机械强度近似等于原子间价键力的理论强度，是一类力学性能优异的新型复合材料补强增韧材料。

2005年我国李志方以CaCO3晶须为填料，通过热压成型工艺制得PEEK基复

合材料，研究发现：在干摩擦条件下，填充CaCO3可明显降低PEEK基复合材料

的摩擦系数。[10]

2006年林有希等人同样以CaCO3晶须为填料，利用热压成型方法制备含0%～

50%(质量分数)碳酸钙晶须增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料,采用MM2200型摩擦磨损试验机研究碳酸钙晶须含量对复合材料与45#钢环配副的摩擦磨损性能

的影响,利用扫描电子显微镜观察复合材料和钢环磨损表面形貌并分析其磨损机理.同样证明了碳酸钙晶须改善聚醚醚酮复合材料的作用。[11]

2.1.3.5聚合物共混改性

共混是开发新材料的一个重要方法,高分子混合物可以通过简便的方法得到，而所得的材料却具有混合组分所没有的综合性能。陈晓媛等研究了聚醚醚酮(PEEK)/ 聚苯硫醚(PPS)共混体系的加工流变行为，共混体系在不同状态下的相容性，以及相容性与力学性能的内在关联得出PPS的加入显著改善共混体系的流动性的结论。[12]

2.1.4 PEEK树脂的应用

PEEK树脂密度小，加工性能好，可直接加工成型要求精细的大型部件。由

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