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C3D／PA复合材料的合成工艺
后浸渍法将纤维状热塑性聚合物与增强纤维共混编织 或粉状热塑性聚合物与增强纤维混合后，加热至聚合物熔 点以上的温度，保压成型，其实质亦是以聚合物熔体浸渍 纤维。 Wen—Shyong Kuo采用后浸渍及两步编织法制得C3D／ PA复合材料，并对其力学性能和破坏形式作了研究，认为 控制合适的熔融温度和保压时间对其性能的影响十分明显。 Mitsugu Todo等亦以整体编织技术制备并研究了C3D增 强PA及改性尼龙( PA)复合材料拉伸破坏行为。
因而碳纤维增强尼龙(CF／PA)复合材料近年来发 展很快。目前国内外CF／PA复合材料主要是以短切或 长碳纤维增强PA6、PA66等基体。
liuq1217@碳纤维源自强尼龙复合材料例如美国Wilson—Fiberfil公司使用40％碳纤维 增强PA一66，其弯曲强度可达2758MPa，拉伸强度可达 到317．2MPa，而纯尼龙66树脂的拉伸强度只有86MPa。
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C3D／PA复合材料的合成工艺
此后不久日本Sumitomo Rubber公司的Osaka成功地通过 RIM技术合成出长碳纤维增强尼龙复合材料。通过向预先铺好 长碳纤维的模具中注入低粘度的熔融己内酰胺单体，使得己 内酰胺单体在模具中于纤维表面聚合成尼龙大分子，有效地 克服了热塑性材料熔体粘度高，不易流动这一障碍。 RIM 法，利用液态原位聚合原理，使尼龙基体与碳纤维 很好地浸润，且由于有真空及压力辅助，使得大型件及形状 复杂的中空制件的合成变得可行，是制备C3D／PA复合材料较 为合适的方法。Sumitomo Rubber公司正准备将这一技术应 用到需求广泛的体育器材及汽车组件领域中。
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C3D／PA复合材料的合成工艺
静态浇铸法操作方便、工艺简单，在制备小型件时 较为方便，但对于大型件或形状复杂件则不太适合。
这是由于单体活性料对温度、水分均很敏感，活性 料对纤维编织体的浸润需要一定时间。
如长时间保持低温，则活性料极易失效；如提高浇铸 温度，活性料粘度迅速上升，不易充分浸润纤维。
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C3D／PA复合材料的合成工艺
因此，国外研究人员提出了更有效的制备C3D／PA复合 材料的方法，即反应注射成型技术。
3、反应注射成型技术
反应注射成型(RIM)技术，首先被Bayer用以合成聚氨 酯。随后，又提出尼龙RIM 合成体系以改进聚氨酯的缺点， 机械强度不足、耐热性及流动性差等。 1981年美国Monsando公司发表了以汽车外身件为目标 的尼龙反应注射成形体系。
CFRPA66已广泛应用于汽车工业、体育用品、纺 织机械、航空航天材料等领域 。
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连续碳纤维增强尼龙复合材料力学实验
实验内容：
试验所用材料为自制MC尼龙、连续碳纤维增强MC尼龙 (简称CCF／MCPA)，碳纤维的体积分数为l2％ ～24％ 。 碳纤维为T300高强度聚丙烯腈基碳纤维，其密度为1．76g ／cm3，单纤直径为6-8微米 ，由日本进口，将碳纤维进 行450℃／h空气氧化处理。 摩擦磨损试验在MM一200型摩擦磨损试验机上进行，试 样尺寸为25mm×7mm ×6mm，表面经600#砂纸打磨。对磨偶 件为45#钢试环，热处理硬度为40～45HRC，直径40mm，厚 度10 mm，表面粗糙度Ra=0.32-0.63微米。用丙酮清洗试样 和试环表面。滑动速度为0．42m／s。试验载荷分别为50N、 150N、250N，滑动时间为60min。
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连续碳纤维增强尼龙复合材料力学实验
表1为不同碳纤维体积分数CCF／MCPA的力学性能数据， 由表可知，复合材料的弯曲强度、弯曲弹性模量、冲击强度 和平面剪切强度随碳纤维含量的增加而提高，横向剪切强度 略有下降。
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连续碳纤维增强尼龙复合材料力学实验
传统热塑性复合材料合成方法有两种，预先浸渍法和 后浸渍法。 这两种方法各有利弊，预先浸渍法在加工前即已达到 成品形状，其缺点是不易形成复杂形状的制品且浸渍液的 挥发和回收费用高，容易造成环境污染； 后浸渍法采用纤维混编或将粉状基体材料与增强纤维 共混热压，较之预先浸渍法容易形成形状复杂的制品，但 成型过程中极易产生内应力。
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连续碳纤维增强尼龙复合材料力学实验
摩擦系数与载荷的关系
磨损率与载荷的关系
在低载荷时，由于基体MC尼龙已处于粘流态转变阶段， 摩擦系数高，粘着转移严重。而在更高载荷时，在摩擦温 度的作用下，材料的表层粘度下降，起到润滑剂的作用， 摩擦系数小，磨损率也降低。
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连续碳纤维增强尼龙复合材料力学实验
图2 复合材料磨损表面及磨削形貌的SEM照片 在载荷为50N和250N时，磨损表面均裸露出大量纤维， 一方面起承载作用，另一方面可阻止偶件表面微凸体对基体 的切削作用，降低磨损率。 250N时，纤维因磨损逐渐变细，由于没有基体的支撑和 保护，纤维最终断裂脱落。
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三维编织碳纤维增强尼龙复合材料
美国A．B．Maeander等通过实验证明了三维编织物能 够大幅度提高复合材料的强度和刚度这一事实。正是基于 这些优点，C3D／PA复合材料必将拥有广阔的发展前景。
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C3D／PA复合材料的合成工艺
1、后浸渍法与三维整体编织技术：
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连续碳纤维增强尼龙复合材料力学实验
通过记录摩擦力矩T(取记录平均值)及环的半径r和载荷 P，利用公式μ =T／(rP)计算得到摩擦系数。通过测量磨痕 的宽度计算出磨损体积，再计算出单位体积和单位载荷下 的磨损体积损失，并以此评价磨损率w。 采用Neophot光学显微镜观察和分析偶件试环磨损表面 形貌，并进而分析材料转移情况及磨损机理；采用XL30 ESEM型扫描电子显微镜观察磨痕及磨屑的形貌。
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C3D/PA6复合材料工艺特点及影响因素
影响因素：
纤维体积分数的影响
模具预热温度的影响 催化剂用量的影响 纤维表面状态的影响
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PA6／C3D复合材料热机械性能分析
PA6及其复合材料的储能模量随温度变化曲线
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C3D／PA复合材料的合成工艺
但目前，国内尚未有以此技术进行C3D／PA复合材料制 备的报道。由于三维整体编织所制得的材料是预制件而不 是最终产品，要形成复合材料还必需注入基体复合固化， 工艺较为复杂。
2、液态原位缩聚与静态浇铸法：
树脂传递模塑(RTM)工艺是三维编织复合材料最适宜的 制备技术，然而RTM 对基体的要求苛刻(如粘度，固化时间 等)，使得三维编织复合材料的基体仅限于一些低粘度的热 固性聚合物，严重制约了三维编织复合材料的快速发展。
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C3D／PA复合材料的合成工艺
天津工业大学复合材料研究所研究的“三维异型整体 编织工艺的研究和三维编织设备及织物的研制”项目，已 获国家科技进步二等奖。
吴晓青等的研究表明，采用三维整体编织方法成形的热 塑性复合材料的拉伸强度比国外采用注射成型法热塑性复合 材料的拉伸强度高1.5倍。这说明三维整体编织技术是制备 C3D／PA复合材料的一种可行方法。
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尼龙材料
尼龙本身是性能优异的工程塑料，但吸湿性大，制 品尺寸稳定性差．强度与硬度也远远不如金属．
为了克服这些缺点，早在70年代以前．人们就采用碳 纤维或其它品种的纤维进行增强以改善其性能．
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碳纤维增强尼龙复合材料
用碳纤维增强尼龙材料近年来发展很快，因为尼 龙和碳纤维都是工程塑料领域性能优异的材料，其复 台材料综台体现了二者的优越性，如强度与刚性比未 增强的尼龙高很多，高温蠕变小，热稳定性显著提高 了，尺寸精度好，耐磨。阻尼性优良，与玻纤增强相 比有更好的性能。
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C3D／PA复合材料的合成工艺
T．Yamaguchi等分别将玻纤增强与碳纤增强环氧基复 合材料与RIM 尼龙基复合材料进行了比较，并得出碳纤增 强RIM 尼龙复合材料具有比其它材料更优良的综合性能的 结论 。 T．Yamaguchi等在实验的基础上，通过RIM 技术制得 由C3D／PA复合材料构成的中空网球拍，这种球拍强度、硬 度与同密度的环氧复合材料球拍相当甚至更高。在1570N的 作用力下，能承受90万次的冲击测试，其减震性能优于同 密度的环氧基复合材料 。
连续碳纤维增强尼龙复合材料力学实验
图3
偶件钢试环的对磨表面形貌照片
当载荷为50N时，对磨环表面的转移膜呈分离的、不连 续的长条块状；当载荷为250N时，对磨环表面形成了比较 均匀而连续的转移膜。
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连续碳纤维增强尼龙复合材料力学实验
结论：
1 ) CCF／MCPA复合材料的弯曲强度、弯曲弹性模 量、冲击强度和平面剪切强度随碳纤维含量的增加而提 高。 2 ) CCF／MCPA复合材料的摩擦系数和磨损量随着载 荷的增加而降低。 3 ) CCF／MCPA复合材料其磨损机制主要是磨粒磨 损和粘着磨损。
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三维编织碳纤维增强尼龙复合材料
短碳纤维复合材料加工性好，长碳纤维复合材料则具有 较好的力学性能。而三维编织复合材料具有整体性和力学结 构合理两大特点。三维编织复合材料作为一种结构与功能完 美结合的先进纺织复合材料越来越受到人们的重视。 由于其异型件一次编织成型，纤维贯穿材料的三个方向 形成三维整体网状结构，所以从根本上解决了传统复合材料 沿厚度方向的刚度和强度性能较差，面内剪切和层间剪切强 度低，易分层且冲击韧性和损伤容限低等缺点。
根据复合材料混合定律，随着碳纤维含量的增加，复 合材料的强度增大，材料宏观表现为强度增加。
CCF／MCPA的剪切强度由基体与纤维共同决定，且纤维 的强度远高于基体，此时，其平面剪切强度主要受纤维控 制，基体主要传递载荷的作用，所以，纤维体积含量越高， CCF/MCPA的平面剪切强度越大，与复合材料的混合定律一 致。