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吉林大學王貴賓教授丨碳纖維增強聚醚醚酮樹脂復合材料界面的強化方案 已有1人參與
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碳纖維增強PEEK復合材料 碳纖維增強PEEK復合材料是一種以特種工程塑料聚醚醚酮（PEEK）為連續(xù)相樹脂基體，以碳纖維（CF）為分散相增強體的復合材料。 PEEK由于其穩(wěn)定的分子鏈和結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使其能夠在高溫和復雜的化學環(huán)境下使用且在承受沖擊時能吸收更多的能量，曾作為重要戰(zhàn)略物資被國外封鎖，而CF/PEEK復合材料也繼承了這些優(yōu)點。 碳纖維增強聚醚醚酮復合材料應(yīng)用 耐高溫、高比強度和高比模量的特點使得CF/PEEK復合材料在航空領(lǐng)域獲得了不可替代的地位： 在非承力部件的應(yīng)用中，美國戰(zhàn)機F-5E，F(xiàn)-5F，T38和V22的起落架門和F35的發(fā)動機檢查口蓋均使用了CF/PEEK復合材料。研究者們在F-5F以及T38上將CF/PEEK復合材料與CF/雙馬樹脂復合材料進行了對比飛行試驗，結(jié)果表明以PEEK為樹脂基體的復合材料制件具有更強的抗分層能力和更少的缺陷數(shù)量。同時，作為熱塑性的PEEK樹脂賦予了CF/PEEK復合材料易維修的優(yōu)點。在F35發(fā)動機檢查口蓋的應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，當CF/PEEK復合材料制件有輕微缺陷時，可以通過簡單的加熱方式使其恢復使用。 在小承力或小規(guī)模制件方面，陣風戰(zhàn)機的發(fā)動機周圍機身蒙皮以及C130的機身腹壁板均為CF/PEEK復合材料。這是利用了PEEK樹脂基體使用溫度高的特點。 在大規(guī)模制件領(lǐng)域，F(xiàn)117-A的尾翼也由CF/PEEK材料制造，這證明了該材料體系具有足夠的強度。 在材料應(yīng)用的前沿研究領(lǐng)域中，CF/PEEK復合材料也被賦予了足夠的重視。Teneate公司聯(lián)合空客等公司對CF/PEEK復合材料制造飛機機身和平尾扭矩盒進行了研究，并在后續(xù)研究計劃中準備用其制造存放燃油的“濕盒”。如圖Figure1.1所示。Victrex公司聯(lián)合龐巴迪公司嘗試了用CF/PEEK復合材料生產(chǎn)機翼、中央翼盒以及油箱的液壓和燃油托架，這都是利用了PEEK耐溶劑和化學腐蝕的優(yōu)勢特性。而Stelia宇航公司則制備了全尺寸的機身驗證件，包含了薄蒙皮、閃電防護、桁條和框等結(jié)構(gòu)，證明了CF/PEEK復合材料可以被應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu)。 同時，CF/PEEK復合材料在航天、船舶、潛水器、車輛、軍工、能源電力也得到了廣泛應(yīng)用。 碳纖維增強PEEK復合材料的界面性能研究 聚醚醚酮作為一種耐熱耐溶劑且機械性能優(yōu)異的復合材料樹脂基體，在嚴苛環(huán)境下?lián)碛袕V泛的應(yīng)用空間。一般情況下，連續(xù)纖維增強樹脂基復合材料的界面相是復合材料的薄弱部分：在濕熱或疲勞環(huán)境中復合材料的失效普遍起始于界面相；在承受垂直于纖維方向的載荷或剪切載荷時，界面相是影響其性能的決定性因素。 對于聚醚醚酮樹脂基體，其優(yōu)異的耐熱性和化學穩(wěn)定性反而導致了其復合材料界面性能的下降： 1.由于聚醚醚酮常溫下不溶于任何有機溶劑，導致樹脂基體只能在熔融狀態(tài)下與增強纖維相互浸潤，但聚醚醚酮過高的熔體粘度使得浸潤效果較差，最終形成有缺陷的界面相。 2.由于聚醚醚酮具有出色的化學穩(wěn)定性，導致其在常規(guī)加工成型過程中無法與增強纖維表面形成化學鍵等強相互作用，使其界面性能較差。 在過去的30年中，研究者們嘗試通過改善工藝條件和對纖維進行處理來增強聚醚醚酮樹脂基體復合材料的界面性能，但前者提升有限，因為不能從本質(zhì)上解決界面脆弱的問題；后者雖然能通過氧化、等離子體或紫外輻照等手段有效的改變纖維表面的化學環(huán)境，從而提升復合材料的界面性能，但是普遍存在周期長，成本高和不能連續(xù)化生產(chǎn)等缺點，背離了實際應(yīng)用的出發(fā)點。 參考資料：楊硯超. 基于結(jié)晶性聚醚醚酮的碳纖維上漿劑的研究及復合材料界面構(gòu)筑[D].吉林大學 碳纖維（CF）/聚醚醚酮（PEEK）復合材料的研究與應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注。其中，連續(xù)碳纖維增強聚醚醚酮復合材料界面強度的提高一直是熱門研究課題。 為了更好的了解碳纖維增強聚醚醚酮樹脂復合材料界面的強化方案，2022復合材料界面論壇邀請吉林大學王貴賓教授作為論壇特邀嘉賓，分享《碳纖維增強聚醚醚酮樹脂復合材料界面的強化方案》主題報告。 報告內(nèi)容 本研究工作通過化學鍵實現(xiàn)了聚醚醚酮樹脂基體與碳纖維界面相互作用強化，設(shè)計研究了一種新型CF/PEEK復合材料界面增強體系，該體系利用了結(jié)晶可交聯(lián)上漿劑以及電化學還原接枝碳纖維的協(xié)同作用。首先，通過電化學還原接枝將苯乙炔基接枝到碳纖維表面，提供反應(yīng)位點。其次，設(shè)計合成了帶有苯胺側(cè)基和苯乙炔封端劑的可溶性聚芳醚酮上漿劑�？扇苄跃鄯济淹蠞{劑所帶有的苯胺側(cè)基可以在酸性水溶液中被水解，使聚芳醚酮上漿劑恢復原有的結(jié)晶性。利用上述上漿劑對經(jīng)過電化學接枝的碳纖維上漿并進行熱處理，碳纖維表面和上漿劑中含有的苯乙炔基會在熱處理后發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成化學鍵，有效提升了界面強度。同時，結(jié)晶性聚芳醚酮上漿劑可以進一步提升復合材料界面強度，其與PEEK相似的鏈結(jié)構(gòu)也提高了與聚醚醚酮樹脂間的相容性。 專家介紹 王貴賓，吉林大學化學學院教授，博士研究生導師，吉林大學唐敖慶特聘教授。享受國務(wù)院政府特殊津貼專家，教育部新世紀優(yōu)秀人才，吉林省長白山學者特聘教授。吉林省化學會理事兼應(yīng)用化學專業(yè)委員會副主任、中國塑料加工工業(yè)協(xié)會專家、中國塑料加工工業(yè)協(xié)會團體標準技術(shù)委員會委員、中國化學會高級會員、吉林省長春市中級人民法院技術(shù)調(diào)查官、高分子材料合成與應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室技術(shù)委員會委員、彈性體期刊編委、物理化學進展期刊副主編、Current Chinese Science:Nanotechnology編委和Molecules編委等。 主要從事高性能聚合物的合成、成型加工、樹脂基復合材料以及高性能聚合物的功能化等研究。主持承擔了國家“863”高技術(shù)發(fā)展計劃和國家自然科學基金等國家、省部級項目33項，取得多項科技成果。先后發(fā)表SCI論文180余篇。參編英文專著3部、中文專著2部。申請國家發(fā)明專利105項，已經(jīng)授權(quán)85項。獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎1項；獲省部級科學技術(shù)獎一等獎5項、二等獎2項。先后獲得吉林省拔尖創(chuàng)新人才、吉林省有突出貢獻的中青年專業(yè)技術(shù)人才、吉林省高級專家、吉林省青年科技獎特別獎、長春市有突出貢獻專家和吉林省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才等18項榮譽稱號。 |
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2樓2022-10-09 16:42:40
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