一種連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料化ongCarbon FiberReinforcedThermoplasticComposites，LCFRT)及其制備方法和應(yīng)用，屬于高性能 化、輕量化、環(huán)?；⒖苫厥昭h(huán)使用的長(zhǎng)碳纖維熱塑性樹脂基復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合材料和金屬材料的力學(xué)性能具有明顯的不同，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：1)復(fù)合 材料的力學(xué)性能具有明顯的各向異性，且呈現(xiàn)出很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，而金屬材料則為各向同 性，材料組份構(gòu)成確定后其性能保持不變；2)復(fù)合材料和金屬材料的沖擊破壞模式不同， 復(fù)合材料的沖擊破壞模式呈現(xiàn)復(fù)雜多樣性特征，屬于多尺度漸進(jìn)式的剛初漸變破壞，而金 屬材料的沖擊破壞模式為塑性變形為主導(dǎo)的屈服斷裂破壞。目前，纖維復(fù)合材料己成為最 重要、數(shù)量最多、應(yīng)用最廣泛的輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料品種，主要分為：熱固性樹脂基復(fù)合材料 (thermosettingcomposites)和熱塑性樹脂基復(fù)合材料（thermoplasticcomposites)。 其中，熱固性樹脂基復(fù)合材料具有：剛性大、抗疲勞性能優(yōu)異、能夠整體化成型、重量相對(duì)較 輕，但是同時(shí)制造工藝成本高，且控制過程復(fù)雜，難W實(shí)現(xiàn)大批量、標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)生產(chǎn)。熱塑 性樹脂基復(fù)合材料具有：重量輕、剛性大、低溫抗沖擊初性好、加工成形過程簡(jiǎn)單、能夠整體 化與模塊化成型、生產(chǎn)周期短、成本低，可W實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、大批量化生產(chǎn)，同時(shí)又具有綠色環(huán) 保加工、可回收循環(huán)使用的顯著特點(diǎn)，符合當(dāng)今時(shí)代產(chǎn)業(yè)化發(fā)展對(duì)高性能化、輕量化、加工 成本低的新型復(fù)合材料的先進(jìn)技術(shù)趨勢(shì)和政府的各項(xiàng)行業(yè)法規(guī)要求。
[0003] 根據(jù)碳纖維（C巧在樹脂基體（熱固性樹脂基體和熱塑性樹脂基體）中的碳纖維 (C巧保留尺寸長(zhǎng)度大小，可W分為：短切碳纖維（SCF)、長(zhǎng)碳纖維化CF)、連續(xù)碳纖維（CCF， 包括二維紡織布和=維織物種碳纖維（C巧長(zhǎng)度尺寸的形態(tài)結(jié)構(gòu)。其中，短切碳纖維增 強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料（粒料，SCFRT)中的短切碳纖維（SCF)長(zhǎng)度尺寸為：3-5mm，且在 制品中的碳纖維（SC巧保留長(zhǎng)度尺寸為：0. 1-0. 3mm，纖維長(zhǎng)徑比小，增強(qiáng)效應(yīng)有限，碳纖維 (SC巧重量含量為：10-35wt%;連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料（粒料，LCFRT)中 的碳纖維化C巧長(zhǎng)度尺寸為：5-25mm，且在制品中的碳纖維化C巧保留長(zhǎng)度尺寸為：5-8mm， 纖維長(zhǎng)徑比大，增強(qiáng)效應(yīng)明顯提高，碳纖維化C巧重量含量為：40-70wt%。
[0004] 目前常規(guī)使用的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱固性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料（CFR巧制造的復(fù)合材 料汽車輪穀普遍存在W下缺點(diǎn)或不足：比重大、易吸潮易變形、低溫抗沖擊性能差、制造加 工成本高、產(chǎn)品合格率低等許多不足或缺陷，不能夠滿足特殊應(yīng)用的批量化、低成本化的使 用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種重量輕、強(qiáng)度高、抗沖擊初性好、散熱性能 好、耐磨損、耐腐蝕、耐疲勞、成形加工性能優(yōu)良、制造生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、制件成本低，同時(shí)又具 有可設(shè)計(jì)性與可重復(fù)循環(huán)使用、綠色環(huán)保的連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料 化CFRT)及其制備方法和應(yīng)用。
[0006] 本發(fā)明提供一種連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料，所述復(fù)合材料中 包含：長(zhǎng)碳纖維、熱塑性樹脂、填充料和助劑；
[0007] 其中，長(zhǎng)碳纖維重量含量為：40-70wt% ;熱塑性樹脂重量含量為：25-40wt% ;填充 料重量含量為：3-15wt% ;助劑重量含量為：2-5wt%。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明所述的連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料，所述復(fù)合材料 的粒料的長(zhǎng)度尺寸為：5-25mm，其中優(yōu)選的粒料長(zhǎng)度尺寸為：10-15mm，直徑尺寸為：4-7mm。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明所述的連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料，在所述納米復(fù) 合材料的加工成形部件制品中的長(zhǎng)碳纖維化C巧保留長(zhǎng)度尺寸為：0.5-15mm，其中優(yōu)選的 長(zhǎng)碳纖維化C巧保留長(zhǎng)度尺寸為：5-8mm，且滿足正態(tài)分布要求> 80%。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明所述的連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料，所述的熱塑性 樹脂包括：聚酷胺（PA)、聚碳酸醋（PC)、聚對(duì)苯二甲酸下二醇醋（PBT)、聚對(duì)苯二甲酸乙二 醇醋（PET)、聚甲醒（P0M)、聚酬（P0K)、聚酸酬（PEK)、聚酸酸酬（PEEK)、聚苯硫酸（PPS)、聚 諷（PSU)、聚酸諷（PES)、聚苯諷（PPS巧、聚硫酸諷（PTE巧、聚芳硫酸（PA巧、聚酷亞胺（PI)、 聚酷胺酷亞胺（PAI)、聚酸酷亞胺（PEI)、熱塑性聚醋（TP?。?、熱塑性聚氨醋（TPU)中的一 種，或兩種W上品種再經(jīng)過物理機(jī)械共混或化學(xué)改性形成的多相態(tài)多組份聚合物共混物。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明所述的連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料，所述的填充料 之中含有：5-35wt%導(dǎo)電填充料、10-55wt%耐磨損填充料和35-70wt%導(dǎo)熱填充料，其中， 導(dǎo)電填充料為：導(dǎo)電炭黑、導(dǎo)電石墨、碳納米管中的一種或兩種W上形成的共混物復(fù)合物； 耐磨損填充料為：聚四氣乙締、二硫化鋼中的一種或兩種W上形成的共混物復(fù)合物；導(dǎo)熱 填充料為：微米侶纖維、納米碳化娃纖維、納米石墨締、納米氮化侶、納米氮化鋼、納米氧化 侶、納米氧化儀中的一種或兩種W上形成的共混物復(fù)合物。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明所述的連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料，所述助劑含 有：增初劑、阻燃劑、抗氧劑、抗紫外光劑、潤(rùn)滑劑、成核劑、偶聯(lián)劑、抗沖擊改性劑中的一種 或兩種W上形成的共混物復(fù)合物。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明所述的連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料，所述復(fù)合材料 注塑成形后的平板表面電阻為：l〇-l〇〇〇〇/Q?cm,導(dǎo)熱率為：2-100W/m?K，靜摩擦系數(shù)為： 0.09-0. 18/ys。
[0014] 本發(fā)明還提供一種連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料的制備方法，所 述的制備方法采用等靜壓烙融樹脂浸潰復(fù)合工藝制備得到具有多相態(tài)結(jié)構(gòu)特征的多組份 共混物復(fù)合材料，即用連續(xù)碳纖維長(zhǎng)紗卷（CC巧先經(jīng)過預(yù)加熱裝置，控制放紗輸送張力器、 紗線（束）氣流動(dòng)態(tài)分散裝置后形成平行的單分散排列，經(jīng)過導(dǎo)向漉軸輸送與雙螺桿擠出 機(jī)擠出的由熱塑性樹脂基體、填充料、助劑烙融共混復(fù)合形成的多相態(tài)多組份共混復(fù)合材 料，同時(shí)經(jīng)過浸潰槽口模模具內(nèi)加熱、加壓，并且在恒定等靜壓力和控制放紗張力條件下， 快速牽引通過浸潰模具內(nèi)部安置的11-15個(gè)不等間距的變徑漉軸進(jìn)行烙融樹脂浸潰與復(fù) 合成形過程，形成烙融的多相態(tài)多組份共混高分子復(fù)合粘流體系，再經(jīng)過拉伸、冷卻、壓實(shí) 定型、吹干、切割，最后可W制備得到復(fù)合材料粒料化CFRT)。
[0015] 本發(fā)明還提供一種連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料在車輪輪穀上 的應(yīng)用，用于低載荷的純電動(dòng)汽車的復(fù)合材料車輪輪穀的動(dòng)態(tài)彎曲疲勞性能> 350Kg，加載 偏移《4% ;動(dòng)態(tài)徑向疲勞性能> 450Kg，加載偏移《2%。
[0016]應(yīng)用本發(fā)明所述的連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料化CFRT)在加 工成形零部件制品中的碳纖維化C巧保留長(zhǎng)度尺寸為：0. 5-15mm，其中優(yōu)選的碳纖維化CF) 保留長(zhǎng)度尺寸為：5-8mm，且滿足正態(tài)分布要求> 80%，同時(shí)具有比重小、強(qiáng)度高、低溫耐沖 擊性能好、翅曲變形小、尺寸穩(wěn)定、吸水吸潮低、導(dǎo)電散熱性能好、抗劃痕、抗紫外光老化、耐 化學(xué)溶劑腐蝕性能優(yōu)異、使用壽命長(zhǎng)、可回收循環(huán)使用，在汽車零部件制造領(lǐng)域可替代侶合 金材料，具有廣泛應(yīng)用前景，符合國(guó)家制訂的低碳經(jīng)濟(jì)法規(guī)與節(jié)能減排的環(huán)保要求。
【附圖說明】
[0017] 圖1是SCFRT-G復(fù)合材料粒料和LCFRT-G復(fù)合材料粒料的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2是連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料化CFRT)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖3是連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料化CFRT)制成的輪穀。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 本發(fā)明提供一種連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料化CFRT)的制備 方法，包括W下步驟：采用精密傳感器（粘度、溫度和壓力）控制連續(xù)碳纖維束（CC巧與低 粘度的融烙熱塑性樹脂共混物進(jìn)行加熱的溫度、加壓壓力、牽引張力，在擠出浸淆槽口模具 內(nèi)部裝置倒角不同的11-15個(gè)滾動(dòng)漉軸用于分散分布的碳纖維（束）排列形成連續(xù)長(zhǎng)單 絲碳纖維（CCF)，并且在保持融溶溫度和低粘流體下同時(shí)控制浸潰槽中內(nèi)部的有效等靜壓 力為：85-250MPa，使連續(xù)單絲碳纖維（CC巧得到完全的熱融烙浸潰、潤(rùn)濕與加壓密實(shí)成形 復(fù)合（過程），兩相之間的界面強(qiáng)度則可W得到顯著提高，一步法完成融烙浸淆與成形復(fù)合 (過程）共擠出復(fù)合材料拉條，再經(jīng)加壓：50-180M化下密實(shí)加壓冷固結(jié)l-3min，從而制備 得到高性能的連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料化CFRT)，最終再根據(jù)使用性 能要求切割成不同長(zhǎng)度尺寸的復(fù)合材料（粒料）。
[0021] 采用上述方法，一步法解決了連續(xù)單絲碳纖維（CC巧可W單分散排到與被融烙的 熱塑性樹脂（基體）浸潰、潤(rùn)濕與密實(shí)壓緊的成形復(fù)合過程，從而使浸潰效率得到明顯提 高，并且可W形成良好的界面（相）微觀結(jié)構(gòu)，碳纖維（CC巧分布的更加均勻，碳纖維化CF) 保留長(zhǎng)度尺寸明顯增大，增強(qiáng)增初作用（效應(yīng)）顯著提高，加工流變性能提高，制件的機(jī)械 力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性、耐疲勞性、高低溫度下的抗沖擊性能等得到顯著提高。
[0022] 本發(fā)明的連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料化CFRT)注塑成形的平 板表面電阻為：10-10000/Q?畑1，導(dǎo)熱率為：2-100W/m*K，靜摩擦系數(shù)為：0. 09-0. 18/ys。
[0023] 使用本發(fā)明的連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基納米復(fù)合材料化CFRT)精密注 塑加工成形得到的低載荷使用的純電動(dòng)汽車復(fù)合材料輪穀中的碳纖維化C巧保留長(zhǎng)度 尺寸為：5-8mm，且滿足正態(tài)分布要求80%。復(fù)合材料汽車輪穀的動(dòng)態(tài)彎曲疲勞性能 > 350Kg，加載偏移《4% ;動(dòng)態(tài)徑向疲勞性能> 450Kg，加載偏移《2%。
[0024] 純電動(dòng)汽車復(fù)合材料輪穀是采用精密注塑成形技術(shù)制造，具有加工工藝簡(jiǎn)單、生 產(chǎn)成本低、使用壽命長(zhǎng)、重量輕、翅曲變形小、尺寸穩(wěn)定、吸水吸潮小、強(qiáng)度高、散熱性好、高 低溫度下耐沖擊性能好、抗劃痕、抗紫外光老化、耐化學(xué)溶劑腐蝕、安全可靠、綠色環(huán)保、又 可循環(huán)再回收使用的顯著特點(diǎn)與優(yōu)異性能，但是在實(shí)際使用過程中，復(fù)合材料輪穀所承受 載荷重量的能力有限度要求，疲勞強(qiáng)度與使用壽命均會(huì)