【摘要】：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)由于其具備質(zhì)輕高強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、優(yōu)異耐熱性能等特點(diǎn),被廣泛于航空航天、能源、交通、工業(yè)等領(lǐng)域。由于碳纖維本身超高的性能保持率、自然狀態(tài)下長(zhǎng)期無(wú)法降解、日益增長(zhǎng)的碳纖維需求量和廢料量以及回收碳纖維超高的經(jīng)濟(jì)效益使碳纖維的回收利用問題進(jìn)入人們的視野。將回收得到的蓬松狀短切碳纖維進(jìn)行取向,制備出性能優(yōu)異的取向短切碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,最大程度發(fā)揮出回收碳纖自身力學(xué)性能,是本文認(rèn)為碳纖維回收最理想并最具有價(jià)值的利用途徑之一。本文以水為分散介質(zhì)、以羥甲基纖維素(CMC)為助分散劑研發(fā)了一套完整的大規(guī)模制備高取向度、高纖維體積含量、高性能的短切碳纖維取向氈的連續(xù)制備技術(shù)方法,建立了制備高性能取向短切碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的最優(yōu)技術(shù)方法,為大規(guī)模制備回收碳纖維增強(qiáng)高性能復(fù)合材料提供了數(shù)據(jù)支持和理論指導(dǎo)以及技術(shù)保障,主要工作如下:研究了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模短切碳纖維的穩(wěn)定分散的有效途徑,研究了碳纖維表面形貌、羥甲基纖維素黏流特性以及攪拌分散類型作用機(jī)理對(duì)短切碳纖維分散程度的影響,并采用分散度β值對(duì)短切碳纖維分散程度進(jìn)行了量化表征。通過碳纖維表面形貌的研究發(fā)現(xiàn)表面形貌對(duì)短切碳纖維水環(huán)境浸潤(rùn)性影響極大,T800S碳纖維由于其較低的表面張力、良好的浸潤(rùn)性使其更適合大規(guī)模短切碳纖維的分散。通過對(duì)羥甲基纖維黏流特性的研究,匹配到了最合適大規(guī)模分散的羥甲基纖維素,并獲得了其最優(yōu)適用濃度區(qū)間以及使用溫度和時(shí)間上限。通過對(duì)攪拌分散類型及機(jī)理的研究,得出了最適合大規(guī)模分散的攪拌器類型,并為大規(guī)模攪拌分散裝置的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持和理論指導(dǎo)�；谧灾髟O(shè)計(jì)制作的取向噴頭裝置,提出了相應(yīng)的自重力取向機(jī)理,系統(tǒng)的研究了影響碳纖維取向的主要因素:包括流體黏度(η)、取向裝置狹縫寬度(W)、取向裝置與接受網(wǎng)夾角(0)、接收網(wǎng)運(yùn)行速度(V)、短切碳纖維濃度、短切纖維長(zhǎng)度(L)以及短切碳纖維鋪墊層數(shù),通過取向角度統(tǒng)計(jì)和取向張量計(jì)算對(duì)短切碳纖維的取向程度進(jìn)行了量化表征,并通過擁擠因子的計(jì)算建立了短切纖維分散取向狀態(tài)的理論評(píng)估方法。通過自主設(shè)計(jì)制造的短切碳纖維取向氈連續(xù)制備技術(shù)成功制備了,寬幅為300mm,長(zhǎng)度大于200m,相對(duì)取向度大于80%,碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于85%的短切碳纖維取向氈。采用不同成型方法,制得了性能良好的的短切碳纖維取向氈/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料。通過對(duì)比不同成型方法的特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)兩步法預(yù)浸料工藝為制備高性能取向氈/樹脂基復(fù)合材料的最優(yōu)技術(shù)方法。通過兩步法預(yù)浸料工藝制備得到碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的短切碳纖維取向氈增強(qiáng)復(fù)合材料,其力學(xué)性能優(yōu)異,拉伸強(qiáng)度與模量較相同碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的無(wú)規(guī)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料提升了 175%和65%。采用相同方法制備得到的碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的復(fù)合材料,其拉伸強(qiáng)度與模量可達(dá)到900MPa和45GPa,已遠(yuǎn)高于相同纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以及鋁材的力學(xué)性能,完全可以取代部分連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為次級(jí)結(jié)構(gòu)材料。此外制備的復(fù)合材料還具備優(yōu)異的電磁屏蔽性能,在1-18GHz范圍內(nèi)電磁屏蔽效能達(dá)到60dB。通過使用回收碳纖維作為原材料,制備得到的復(fù)合材料兼顧優(yōu)異的力學(xué)性能和電磁屏蔽性能,同時(shí)具有超高的性價(jià)比,對(duì)回收碳纖維的二次再利用具有重要的指導(dǎo)意義。
【圖文】：

需求量不斷增長(zhǎng)的碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)[26]

圖１－５斷裂拉伸破壞技術(shù)原理示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｓｔｒｅｔｃｈ邋ｂｒｅａｋｉｎｇ逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB332

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2597601