PP／碳纤维复合材料力学性能的研究

徐久升

摘要：综合考虑碳纤维材料的加工适应性以及对基体力学性能改善的能力，分别选取了短切碳纤维和碳纤维粉末作为增强相，比较了它们对于PP 的增强效果以及加工的难易，通过测定拉伸性能和冲击韧性考察了短切碳纤维的含量以及碳纤维粉末的含量对各自复合材料力学性能的影响。结果表明，随着碳纤维含量的增加，两种复合材料的冲击韧性以及拉伸性能都呈先增加后减小的趋势，短切碳纤维作为增强相对于基体树脂的力学性能增强效果更为显

著，碳纤维粉末作为增强相的复合材料加工适应性强，性能更加稳定，该研究对碳纤维制品的实际注塑生产具有十分重要的意义。

关键词：PP／碳纤维复合材料；拉伸强度；冲击韧性

 

Researchon Mechanical Properties of Carbon Fiber Reinforced PP Composites

XuJiusheng

Abstract ：In consideration of the difficulty of producingand the ability of property improving，short carbon fiber and carbon fiber powder were selected asreinforced phase to compare the improving effect and producing difficulty ofthem，the influencesof short carbon fiber／carbon fiber powder on the mechanical properties of these twocomposite materials were discussed by determining tensile property and impacttoughness. The results show that with the content of carbon fiber increase，the impact toughness and the tensileproperty of these two composite materials increase first and then reduce，the reinforce effect of mechanicalproperty are more obvious if short carbon fiber is chosen as the reinforcedphase，on thecontrary，whencarbon fiber powder is chosen to be reinforced phase，a composite material with morestable property and easier producing adaptability is acquired， which is instructive to theactualinjection production of carbon fiber products.

Keywords ：PP／CF composite ； tensile strength ； impact toughness

 

碳纤维是含碳量高于90％的无机高分子纤维，按其原料可分为3 类：聚丙烯腈基(PAN) 碳纤维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳纤维，其中聚丙烯腈基碳纤维用途最广，需求量也最大，碳纤维是通过有机母体纤维( 聚丙烯睛、粘胶丝或沥青等) 高温(1000～3 000℃，惰性气体环境) 分解，碳化制成的，碳纤维增强复合材料(CFRP) 是以碳纤维作为增强体的复合材料，与传统材料相比，它具有高比强度、高比模量、质量轻等优越性能，密度不到钢的1／4，

能像铜那样导电，比不锈钢还耐腐蚀，拉伸强度一般都在3 500 MPa 以上，是钢的7～9 倍，拉伸弹性模量为23 000～43 000 MPa，也高于钢，在新型民用超音速飞机、水下核潜艇、高速列车等尖端科学技术领域以及建筑、机械、化工等领域得到愈来愈广泛的应用，并且在某些领域有逐步取代传统金属材料的趋势。碳纤维的加入大大改善材料的力学性能，目前市场上的碳纤维主要有纤维态、粉末态两种，对于纤维态碳纤维，由于本身纤维的形态可以承受高强度的力学性能，但对于大型复合制品，由于纤维表面的静电吸引作用，导致纤维和基体很难均匀混合所以加工成型的难度大、成本高，而对于粉末态碳纤维的复合制品，其力学性能略逊，但是加工成型则较容易，笔者通过测定短切碳纤维增强PP 复合材料以及碳纤维粉末增强PP 复合材料的力学性能，考察了短切碳纤维以及碳纤维粉末的含量对各自复合材

料力学性能的影响，最后比较了两者对于基体树脂(PP) 的增强效果以及加工的难易，这为生产实际中使用碳纤维的形态选择提供了参考。

1　实验部分

1．1　实验原材料

短切碳纤维增强PP复合材料：东莞常平塑胶化工经营部；

碳纤维粉、PP：广东茂名石化实华股份有限公司。

1．2　仪器及设备

注塑机：EM150–SVP型，震雄集团；

熔体流动速率测定仪：ZXNR–400A 型，上海左科仪器设备有限公司；

拉伸试验机：TCS–2000型，台湾高铁科技股份有限公司；

简支梁摆锤式冲击试验机：扬州市江都道纯试验机械厂；

锥形双螺杆挤出机：SJSZ20／40型，武汉怡扬塑料机械厂。

2　结论

(1) 随着碳纤维含量的增加，两种复合材料的冲击性能以及拉伸性能都呈先增加后减小的趋势；

(2) 短切碳纤维增强PP 复合材料的力学性能在碳纤维质量分数达到8% 左右达到极值，碳纤维粉末增强PP 复合材料的力学性能在碳纤维质量分数达到25% 左右达到极值；

(3) 短切碳纤维作为增强相对基体树脂的力学性能增强效果更为显著，碳纤维粉末由于其粉末形态，更容易均匀分散于基体树脂之中，其加工适应性强，性能更加稳定。实验对于碳纤维复合制品的实际工艺生产具有一定的借鉴意义。