Termoplastické uhlíkové vlákno je důležitým směrem pro budoucí rozvoj průmyslu uhlíkových vláken. Díky svým vysokým mechanickým vlastnostem a tvarovatelným zpracovatelským vlastnostem může hrát větší roli při zpracování a opětovném použití produktů z termoplastických uhlíkových vláken. Termoplastické uhlíkové vlákno je vhodné pro špičková odvětví, jako je letectví a kosmonautika. Má lepší odolnost vůči vysokým teplotám a komplexnější aplikační scénáře. V této fázi není mnoho typů termoplastických uhlíkových vláken, které lze připravit v dávkách, včetně CF/PEEK, CF/PPS, CF/PA atd.
Aby byly splněny skutečné potřeby použití v letectví a jiných průmyslových odvětvích, může být nutné výše uvedené kompozitní materiály do určité míry upravit, například zvýšit jejich houževnatost. Pokud chcete zvýšit houževnatost termoplastických kompozitů, můžete začít z mnoha aspektů, jako je přidání tužidel nebo přidání dalších výztuh. K úpravě a zpevnění povrchu uhlíkových vláken můžete také použít fyzikální nebo chemické metody. Můžete také zlepšit proces formování. Úprava podporuje houževnatý účinek kompozitních materiálů.
1. Míchání a zpevňování tužidla: Při modifikaci kompozitního materiálu je fyzikální modifikace míšení nejjednodušší a nejčastěji používanou metodou modifikace. Vlastnosti termoplastických kompozitů z uhlíkových vláken úzce souvisejí se stavem vazby mezi uhlíkovými vlákny a matricí z termoplastické pryskyřice. Aby se zvýšila houževnatost kompozitního materiálu, může být přidáno určité zpevňovací činidlo, aby se zlepšil účinek spojení materiálů na rozhraní a zvýšila houževnatost kompozitního materiálu.
Anhydrid kyseliny maleinové (MAH) může reagovat s polyamidem (PA) za účelem jeho kompatibility. Oba mají dobrou kompatibilitu. Díky dobré kompatibilitě MAH a PA lze tužidlo rychle dispergovat do matrice PA. Výzkum ukazuje, že u kompozitních materiálů PA6/CF může přidání tužidla POE‑g‑MAH výrazně zlepšit rázové vlastnosti kompozitních materiálů. Rázová houževnatost se zvýšila z 6,2 kJ/m2 na 9{5}}kJ/m2 a účinek tuhnutí je zřejmý.
Nevýhody: Přiměřené množství zpevňovacího činidla může pomoci zlepšit houževnatost kompozitních materiálů, ale zvýšení obsahu zpevňovacího činidla může vést k problémům, jako je nadměrná velikost částic a snížený disperzní účinek, což ovlivňuje další mechanické vlastnosti materiálu, takže je třeba být kontrolován Vhodný přídavek tužidel.
2. Hybridní zpevnění výztuže: Kromě uhlíkových vláken a termoplastické pryskyřice se k termoplastickým kompozitním materiálům z uhlíkových vláken přidávají další výztužné materiály, jako jsou skleněné vlákno (GF), aramidové vlákno (AF) a uhlíkové nanotrubice, aby se zlepšilo termoplastické uhlíkové vlákno. Houževnatost kompozitních materiálů může také dosáhnout efektu houževnatosti.
Experimenty ukazují, že CF, GF a POE‑g‑MAH budou přidány do PA66, aby se připravily hybridní vláknové/POE‑g‑MAH kompozitní materiály vyztužené PA66. Když je množství přídavku skleněných vláken 15 %, je houževnatost nejlepší, což je lepší než CF. Rázová houževnatost samotné výplně se zvýšila o 34,02 % a efekt zlepšení byl zřejmý. Při přípravě kompozitních materiálů CF/PET se do nich za účelem úpravy povléká aramidové vlákno. Rázová houževnatost kompozitního materiálu je výrazně zlepšena. Rázová houževnatost kompozitního materiálu se zvýší o 65,8 % s jednou vrstvou povlaku a o 45,6 % se dvěma vrstvami povlaku. Zpevňovací účinek je výrazně zlepšen.
Některé studie zjistily, že výhody dvou výztužných materiálů, CF a halloysitových nanotrubic (HNT), byly zkombinovány ke studiu účinku synergického zpevnění a zesílení HNT a CF na PA6. Výsledky zkoušek mechanických vlastností ukazují, že PA6/30%CF/10%HNTs má maximální rázovou houževnatost 8,9kJ/m2, HNTs má houževnatý účinek na kompozitní materiály PA6/CF a HNT a CF mají synergický účinek při houževnatění.
3. Povrchová úprava uhlíkových vláken: Nemodifikované uhlíkové vlákno je křehké, má silnou povrchovou inertnost a postrádá aktivní skupiny, což má za následek špatnou kompatibilitu mezi uhlíkovým vláknem a matricí z termoplastické pryskyřice a je ovlivněna struktura rozhraní a výkon. Povrchovou úpravou uhlíkového vlákna lze zvýšit jeho povrchovou chemickou aktivitu, povrchovou volnou energii nebo drsnost povrchu, což může pomoci zlepšit stupeň smáčení mezi uhlíkovým vláknem a termoplastickou matricí, a tím zlepšit celkový výkon kompozitního materiálu, včetně jeho vlastního houževnatost. Existuje mnoho způsobů, jak ošetřit povrch uhlíkových vláken, včetně úpravy klížícím činidlem, fyzikální úpravy povrchu a chemické úpravy povrchu.
Zlepšení vlastností rozhraní kompozitních materiálů pomocí klížících činidel lze dosáhnout fyzikálními účinky, jako je infiltrace a adheze, stejně jako chemickými účinky kombinací velkého počtu aktivních skupin na povrchu uhlíkových vláken s matricí za vzniku kovalentních vazby. Experimentální data ukazují, že suroviny, jako je kyselina adipová, jsou kondenzovány v tavenině za vzniku termoplastického kopolyamidu, který je formulován do klížícího činidla (co-PA) pro modifikaci kompozitního materiálu PA6/CF. Při optimálním obsahu klížícího činidla 4 % dosahuje mezifázová pevnost ve smyku (IFSS) kompozitního materiálu 37,6 MPa, což je o 43,76 % více než u nešlichtovaného PA6/CF.
Mezi další fyzikální metody modifikace povrchu uhlíkových vláken patří ultrazvuková disperze, povrchově aktivní úprava a elektrochemická depozice. Experimentální data ukazují, že polydiallyldimethylamoniumchlorid (PDDA) byl použit k modifikaci oxidu grafenu (P‑SG) a smíchán s CF pro ultrazvukové ošetření, takže P‑SG byl úspěšně připojen k povrchu CF za účelem získání kompozitů PA6/C‑SG. Závěrem je, že rázová houževnatost modifikovaných kompozitních materiálů výrazně roste se zvyšováním obsahu uhlíkových vláken. Když je obsah uhlíkových vláken 13 %, rázová houževnatost je 36,52 kJ/m2 a rázová výkonnost se zvýší o 113,17 %.
Chemická modifikace povrchu uhlíkových vláken je umístit uhlíkové vlákno do prostředí roztoku a selektivně modifikovat povrch materiálu, aby poskytl více aktivních skupin a zvýšil spojovací sílu rozhraní; nebo použít jiná rozpouštědla ke zlepšení drsnosti povrchu CF pro řízení chemických vlastností povrchu, mezi nimiž je metoda s vazebným činidlem jednou z běžněji používaných metod chemické modifikace. Experimentální data ukazují, že když je povrch uhlíkových vláken chemicky modifikován silanovým vazebným činidlem (KH550) za účelem přípravy kompozitních materiálů PA6/CF, výsledky nárazové zkoušky bez vrubů ukazují, že když je obsah modifikovaných uhlíkových vláken 20 %, rázová houževnatost PA6/CF bez vrubu dosahuje maximální hodnoty (18,5±0,6) kJ/m2, která je o 52 % vyšší než odpovídající neupravený obsah.
4. Zpracování a řízení procesu lisování: Lisování a zpracování kompozitních desek z termoplastických uhlíkových vláken a technologie spojování materiálových komponent jsou také důležité faktory ovlivňující konečné vlastnosti materiálu. Řízením lisovací teploty, lisovacího tlaku atd. během procesu lisování materiálu lze řídit situaci spojování rozhraní kompozitního materiálu a měnit výkon rozhraní.
Čím vyšší je teplota tváření, tím nižší je viskozita pryskyřičné matrice, tím lepší je tekutost, dokonalejší infiltrace uhlíkových vláken a zvětšení kontaktní plochy rozhraní. Proto při stejné délce prodloužení trhliny platí, že čím větší je hodnota zatížení požadovaná pro roztržení vzorku, to znamená I Čím vyšší je interlaminární lomová houževnatost. Pokud jde o lisovací tlak, pod vysokým tlakem, kvůli překážce pohybu molekulového řetězce, pryskyřice a matrice nemohou být lépe infiltrovány, takže je třeba zvolit vhodné podmínky tlakového lisování. Vhodná rychlost chlazení může také zlepšit houževnatost kompozitních materiálů.
Kromě toho mají různé způsoby formování také významný vliv na výslednou mechaniku a další vlastnosti materiálu. Experimentální data ukazují, že byly porovnány kompozitní materiály ABS/CF využívající proces vytlačování/vstřikování a proces termoplastu s dlouhými vlákny (LFT)/vstřikování a byly porovnány účinky těchto dvou procesů na distribuci délky vlákna, pevnost v tahu, náraz a další vlastnosti materiálu. byly porovnány. Vliv. Výsledky ukazují, že minimální délka CF v kompozitech ABS/L‑CF je přibližně trojnásobkem maximální délky vlákna v kompozitech ABS/E‑CF. Rázová houževnatost ABS/L-CF je asi o 105 %~155 % vyšší než u ABS/ECF.
Výzkum termoplastických kompozitů z uhlíkových vláken doma i v zahraničí se nikdy nezastavil a zvyšování houževnatosti je pouze jedním ze směrů výzkumu. Termoplastické uhlíkové vlákno jako nový špičkový kompozitní materiál má obrovský potenciál, ale stejně obtížné je přeměnit ho na průmyslovou pomoc. Mají-li být vlastnosti termoplastických uhlíkových vláken plněji a vyzrálejší, je nezbytný výzkum v oblastech, jako je zpevnění. Pouze pokud jsou základy dostatečně pevné, může být rozvoj průmyslu uhlíkových vláken dostatečně pevný.