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碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的研究進(jìn)展

貝意克 2023-05-10 | 閱讀：948

助力全球材料研發(fā) 裝備引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)未來

碳纖維（CF）是由有機(jī)纖維在惰性氣氛中經(jīng)高溫碳化制得,，具有高強(qiáng)度、高比模量,、優(yōu)異的熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性以及阻尼減震降噪等特性,，是優(yōu)異的增強(qiáng)體材料。熱塑性復(fù)合材料與傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料相比,，成型周期短,、化學(xué)成分毒性小,，且具有高韌性、高抗沖和損傷容限,、預(yù)浸料存儲(chǔ)期長,、量產(chǎn)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。以CF為增強(qiáng)體的熱塑性復(fù)合材料結(jié)合了CF和熱塑性樹脂的性能優(yōu)點(diǎn),，且成型后不發(fā)生化學(xué)交聯(lián),，能夠二次熔化和再成型，便于材料的回收及循環(huán)利用,，解決了熱固性CF材料在使用期滿后的處理問題,。近年來，以熱塑性樹脂為基體的高性能CF復(fù)合材料發(fā)展迅速,，在航空航天,、汽車輕量化、軍事國防,、體育,、油田化工、風(fēng)電葉片等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用,。

本文針對近幾年CF增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料領(lǐng)域的相關(guān)研究,，對熱塑性CF復(fù)合材料的界面改性、纖維類型,、制備工藝,、材料性能、材料成型等進(jìn)行了綜述,。

01 界面改性

在CF增強(qiáng)復(fù)合材料中,，CF與基體間相互作用的強(qiáng)弱是決定材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。然而,，CF表面平滑度過高,、吸附特性較少，與聚合物基體之間的界面黏附性差,。一般通過界面改性增加CF的化學(xué)活性,、表面粗糙度和表面自由能，以改善CF與熱塑性基體之間的化學(xué)鍵合,、機(jī)械嚙合以及界面浸潤性,，進(jìn)而提高復(fù)合材料的綜合性能。界面改性主要發(fā)生在CF上,，可根據(jù)反應(yīng)環(huán)境分為干法改性,、濕化學(xué)改性和多尺度改性三類。

1.1 干法改性

干法改性主要包括等離子體處理,、高能輻照和熱處理等,。等離子體處理可通過降低臨界纖維長度來改善纖維/基體的附著力,，常用于CF以及CF復(fù)合材料的表面改性處理。等離子體處理CF能夠增加表面粗糙度和比表面積,，Lew等在CF外層結(jié)構(gòu)引入極性基團(tuán),，制得的CF增強(qiáng)聚醚砜酮復(fù)合材料的界面性質(zhì)明顯改善。CF通過化學(xué)鍵合及機(jī)械嚙合協(xié)同增強(qiáng)與基體的界面結(jié)合,，使得復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度（ILSS）顯著提高,。但是在等離子體處理過程中，前期以表面改性為主,，后期以表面蝕刻為主，CF的強(qiáng)度會(huì)隨處理時(shí)間的延長逐漸降低,，直接影響復(fù)合材料的機(jī)械性能,。因此，人們常將等離子體處理作為第一步處理過程,，為二次改性提供活化CF,，有利于后續(xù)的化學(xué)接枝或沉積聚合等反應(yīng)。

高能輻照改性是一種高效環(huán)保的新型改性技術(shù),，能夠在CF表面引起化學(xué)反應(yīng),。高能輻照可使原子發(fā)生位移，提高表面粗糙度,，并產(chǎn)生可與基體官能團(tuán)結(jié)合的活性位點(diǎn),，在基本維持纖維強(qiáng)度的前提下，提高CF對基體的附著力,。Li通過臭氧對CF進(jìn)行處理,，增加了表面羧基含量。經(jīng)臭氧處理的CF與尼龍6（PA6）基體的界面結(jié)合明顯增強(qiáng),，可使CF/PA6復(fù)合材料的ILSS提高60%,。在利用γ-射線輻照改性過程中，隨著射線輻照劑量的增加,，CF表面的無序結(jié)構(gòu)參數(shù)增加,，表面晶粒尺寸減小，因此復(fù)合材料的界面強(qiáng)度及摩擦性能也隨之提高,。

Cai等通過高溫蒸汽熱處理對再生CF表面進(jìn)行改性,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)處理時(shí)間大于1 h時(shí),，CF表面發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生含氧基團(tuán),，使得CF與基體的結(jié)合作用增強(qiáng)，但高溫蒸汽熱處理過程不會(huì)使CF表面形貌發(fā)生明顯變化,。

1.2 濕化學(xué)改性

濕化學(xué)法改性實(shí)質(zhì)上是在溶液環(huán)境中,，通過選擇性地修飾材料表面以控制表面的化學(xué)性能,，主要包括上漿處理、酸氧化法和電化學(xué)沉積法等,。上漿處理是CF制備工藝中極為重要的一環(huán),，也是生產(chǎn)高質(zhì)量CF的核心技術(shù)之一，上漿劑層的物化特性決定了CF與樹脂基體之間的黏接強(qiáng)度,。Liu等采用相反轉(zhuǎn)法制備出一種以雜萘聯(lián)苯聚醚酮（PPEK）樹脂為主體的乳液型上漿劑,，該上漿劑可使PPEK對CF的浸潤性能顯著提升，且ILSS提高76.4%,，達(dá)到69.80 MPa,。鄭幗等采用新型水性上漿劑改性聚己內(nèi)酰胺（O3PPA）對CF表面進(jìn)行改性處理，并制備了CF/PA6 復(fù)合材料,。經(jīng)O3PPA處理的CF單絲斷裂強(qiáng)度提高了12%,，CF/PA6復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和ILSS分別提高了35% 和46%。目前,，已有報(bào)道的專用于熱塑性體系的上漿劑有聚丙烯（PP）,、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺（PEI）,、聚醚酮酮,、聚芳醚酮、聚苯醚酮,、聚醚砜（PES）等,。酸氧化法是通過硝酸、濃硫酸氧化CF表面和 /或引入微孔結(jié)構(gòu),，以改善CF/基體的結(jié)合效果,，通過控制溫度、反應(yīng)時(shí)間以及氧化介質(zhì)濃度等條件,，得到氧化程度不同的纖維表面,。酸氧化改性會(huì)顯著增加 CF 表面的溝槽，并形成深孔和裂紋,，使CF 表面粗糙度提高,，混酸氧化處理后的刻蝕痕跡尤其明顯（見圖1）。經(jīng)過酸氧化處理后,，CF 表面產(chǎn)生的羧基基團(tuán)能夠提高與基體的黏結(jié)能力和吸附作用,，但同時(shí)纖維表面產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)缺陷也會(huì)導(dǎo)致CF的強(qiáng)度下降。

電化學(xué)沉積法改性是以CF為陽極,，石墨板,、銅板或鎳板為陰極，以不同的酸堿鹽溶液為電解液（常用電解質(zhì)有氫氧化鈉,、碳酸氫銨,、碳酸銨,、硫酸和硝酸等）,，在直流電場作用下對CF表面進(jìn)行改性,。電化學(xué)沉積法能夠克服一般噴涂技術(shù)的不均勻性,，實(shí)現(xiàn)納米粒子涂層在CF表面的均勻分布。Yamamoto等通過電化學(xué)沉積將熱塑性聚合物膠體顆粒吸附在CF表面進(jìn)行改性（見圖 2）,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，改性后的 CF 與各樹脂的界面剪切強(qiáng)度均有所提高，復(fù)合材料的彎曲性能也有所提高,。之后,，Yamamoto等通過電化學(xué)沉積將耐熱型納米SO2膠體吸附在CF表面進(jìn)行改性，納米SO2膠體層可使得CF在基體中形成一定間隔,，從而提高復(fù)合材料強(qiáng)度的均勻性,；還可以降低高溫環(huán)境中熱氧對復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響，顯著提高材料的熱穩(wěn)定性和可回收性,。Rashkovan 等比較了電化學(xué)處理和臭氧處理的CF/聚酰胺（PA）復(fù)合材料的界面性能，發(fā)現(xiàn)電化學(xué)處理對增強(qiáng)CF與PA基體的界面附著力有更加顯著的效果,。

1.3 多尺度改性

CF的“多尺度”涂層改性主要由納米粒子/碳納米管/石墨烯修飾組成,，通過電化學(xué)沉積、化學(xué)氣相沉積以及浸漬涂層法實(shí)現(xiàn)在纖維表面的沉積,。Luo等采用靜電自組裝的方法對 CF進(jìn)行改性處理,，得到表面沉積氧化石墨烯（GO）的改性CF（CF-GO）并制備出PP/CF-GO復(fù)合材料。研究結(jié)果表明,，在相同纖維載荷下PP/CF-GO疊層復(fù)合材料的ILSS和抗拉強(qiáng)度分別比未改性時(shí)提高了101.7% 和47.9%,。Kamar 等將經(jīng)過陽離子聚合物處理的多壁碳納米管（MWCNT）均勻沉積在CF（氧化后）表面，再進(jìn)行上漿,。帶正電荷的 MWCNT 顆粒之間互斥,，而CF與MWCNT之間相互吸引，進(jìn)而產(chǎn)生良好的分散和黏附,。Che也采取類似方法將GO納米顆粒分散在涂層中,，使CF增強(qiáng)聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合材料的ILSS提高將近一倍。Song等結(jié)合電化學(xué)沉積和微波輻射方法,，將CF浸漬于含鋅的電解質(zhì)溶液中,，通過電化學(xué)沉積將Zn2+ 沉積于CF表面，再經(jīng)過微波輻照在纖維表面生長ZnO納米顆粒,。

1.4 其他改性方法

結(jié)晶性強(qiáng)的樹脂基體在CF表面附近也能發(fā)生結(jié)晶,，通過對界面結(jié)晶行為的調(diào)控，可顯著提高復(fù)合材料性能,。Batista等在熱壓成型制備 CF/ 聚苯硫醚（PPS）復(fù)合材料時(shí)采用不同冷卻速率進(jìn)行結(jié)晶調(diào)控,，在相對較低的冷卻速率下材料的結(jié)晶度提高并生成界面橫晶,，CF/PPS復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度明顯提高。Kobayashi等采用高模量CF（HMCF）制備以 PA6 為基體的復(fù)合材料,，通過XRD 表征發(fā)現(xiàn)在適宜的結(jié)晶溫度和結(jié)晶速率下,，HMCF能夠誘導(dǎo)PA6在CF表面形成2 μm 厚的穿晶層（如圖 3），穿晶層中PA6的α晶型的a軸方向近乎垂直于CF表面,，穿晶層的形成顯著提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能,。

向復(fù)合材料中加入增容劑也能夠?qū)Σ牧系慕缑嫘阅芷鸬椒e極作用。Do等向CF/PA6復(fù)合材料中加入第三組分PP,，第三組分的加入提高了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度,、彈性模量及尺寸穩(wěn)定性。Zhang等通過研究發(fā)現(xiàn)胺化PPS樹脂可用來提高CF與PPS基體界面的附著力,，加入7%（w）的胺化PPS（NH2含量1%（w））可使復(fù)合材料的拉伸和彎曲模量分別提高12.5% 和38%,。Ren等合成了一系列側(cè)鏈上含有不同比例羧基的共聚（1，4-苯基硫化物）-聚（2,，5-苯基硫化物酸）（PPS-COOH）,，將PPS-COOH作為CF/PPS復(fù)合材料的增容劑，材料表征結(jié)果顯示,，PPS-COOH與基體具有良好的物理相容性,，顯著改善了材料的界面結(jié)合，優(yōu)選PPS-COOH添加量為10%（w）,。增容劑改性法工藝簡單,、成本低廉，但不適用于連續(xù)CF增強(qiáng)材料的加工,。

02 CF 增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料

熱塑性樹脂易于加工,，成型周期短。常用熱塑性樹脂的參數(shù)見表1,。由表1可見,，從通用塑料，如聚乙烯（PE）,、PP,、PA、聚碳酸酯等,，到高性能特種工程塑料,，如聚醚醚酮（PEEK）、PPS,、高溫尼龍,、PEI、PES 等，均可作為基體與CF復(fù)合,。

2.1 CF/PP 復(fù)合材料

CF/PP復(fù)合材料中,，CF可提高PP的彈性模量，但使材料的拉伸強(qiáng)度,、沖擊強(qiáng)度及斷裂伸長率降低,。CF/PP的結(jié)晶過程中，CF對PP基體有一定的異相成核作用,，提升了PP的非等溫結(jié)晶溫度與結(jié)晶度,，并促進(jìn)β晶生成。Rezaei等對CF/PP復(fù)合材料中纖維長度對材料性能的影響進(jìn)行了研究,，發(fā)現(xiàn)較長的CF可使復(fù)合材料具有更好的熱機(jī)械性能,，同時(shí)CF/PP復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性隨CF長度的增加而增加。Yang等通過將嵌套PP管的CF進(jìn)行熱壓處理制備了CF/PP復(fù)合材料,，通過顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn),，當(dāng)纖維間的間距大于5 μm時(shí)更有利于纖維與基體間的浸潤；通過采用空氣變形法,，確定在4 kPa的空氣變形壓力下可形成適合復(fù)合材料的纖維結(jié)構(gòu),，且隨著CF長度的增加，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度,、沖擊性能和層間剪切強(qiáng)度均得到改善,。Novo等采用多種方法制備了連續(xù)CF預(yù)浸料，并通過拉擠成型得到CF/PP復(fù)合材料（見圖4）,，該方法的生產(chǎn)速率可達(dá)2～6 m/min。

2.2 CF/PE 復(fù)合材料

Chukov等發(fā)現(xiàn),，向超高分子量聚乙烯（UHMWPE）中加入短切碳纖維（SCF）可顯著提高復(fù)合材料CF/UHMWPE的力學(xué)性能和摩擦性能,；在500 ℃熱氧條件下，CF的熱氧化顯著增強(qiáng)了C 與基體的界面作用,，CF/UHMWPE復(fù)合材料的屈服應(yīng)力提高近兩倍,。Savas等發(fā)現(xiàn)，PE共聚物的加入可明顯增強(qiáng)CF/ 高密度聚乙烯（HDPE）復(fù)合材料的界面結(jié)合,，從而增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能,。Erkendirci研究了 CF/HDPE復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)抗?jié)B透性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料層合板越薄,，耗能越大,；復(fù)合材料層合板越厚，耗能越小,。

2.3 CF/PA 復(fù)合材料

PA是分子主鏈上含有重復(fù)酰胺基的熱塑性樹脂的總稱,，包括脂肪族 PA、脂肪 - 芳香族PA和芳香族PA。CF/PA具有輕量化,、耐疲勞,、耐磨耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在汽車,、家電,、體育器材等領(lǐng)域均有應(yīng)用。張師軍采用BUSS捏合機(jī)和連續(xù)CF雙螺桿擠出工藝開發(fā)了一系列CF增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料,，BUSS捏合工藝制備的40%（w）CF/PA66復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為304.1 MPa,、彎曲強(qiáng)度為422.8 MPa、彎曲模量為25.8 GPa,、缺口沖擊強(qiáng)度為10.2 kJ/m,。在CF/PA復(fù)合材料中，CF的含量,、纖維長度等直接影響復(fù)合材料的各項(xiàng)性能,。對于注射成型的CF/PA6和 CF/PA66復(fù)合材料，材料的斷裂應(yīng)變隨CF含量的增加逐漸降低,，而拉伸強(qiáng)度,、模量等均隨基體中CF含量的增加而提高。在連續(xù)CF 制備的 CF/PA66 復(fù)合材料中,，CF 改變了PA66 的晶態(tài)結(jié)構(gòu),，使晶粒產(chǎn)生缺陷并加快了結(jié)晶速率，當(dāng) CF 含量小于 35%（w）時(shí),，復(fù)合材料的力學(xué)性能隨CF含量的增大明顯提高,，當(dāng)CF含量為35% ～ 55%（w）時(shí)，力學(xué)性能的增幅變緩,。Li等研究了不同熱處理過程的連續(xù)CF/PA復(fù)合材料,，發(fā)現(xiàn)較低的冷卻速率和較高的退火溫度會(huì)降低復(fù)合材料的ILSS。Zhao等研究了不同層數(shù)的CF/PA6層合板的彎曲損傷行為和性能,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖 5,。Ma等研究了CF/PA6層合板的力學(xué)性能和失效行為，發(fā)現(xiàn)CF/PA6層合板在界面作用較弱的模式下呈現(xiàn)階梯狀斷裂行為,，復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與靜態(tài)力學(xué)性能有明顯差異,。Ploeckl等研究了單向CF/PA6層合板（CF含量60%（w））的動(dòng)態(tài)壓縮性能，發(fā)現(xiàn)材料的縱向抗壓強(qiáng)度增加了 60%,，但應(yīng)變速率對彈性模量的影響不顯著,。Dickson 等采用熔融沉積工藝制備了連續(xù)CF/PA復(fù)合材料，該材料的拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度比未增強(qiáng)尼龍聚合物分別提高 6.3 倍和 5 倍,。

2.4CF/PPS 復(fù)合材料

PPS 是半結(jié)晶熱塑性塑料,，具有耐高溫、耐腐蝕、耐輻照,、耐磨阻燃性能,，以及優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性和成型加工性。PPS 質(zhì)地較脆,，在與高強(qiáng)度高模量的 CF 復(fù)合后,，可有效提高復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度與耐熱性能。Valverde 等采用 SCF/PPS 復(fù)合材料在 CF/PPS 連續(xù)纖維預(yù)制板上澆鑄出肋板（圖 6）,，并通過光學(xué)顯微鏡研究了肋板截面和流程長度對材料特征的影響,。研究結(jié)果表明，復(fù)合界面的黏接強(qiáng)度和材料破壞類型均隨肋板截面形狀而變化,；在流程末端制樣會(huì)對試樣性能有較大影響,。PPS 具有良好的抗沖擊性、耐損傷性,，且在火災(zāi)條件下具有非常好的機(jī)械性能保留性,。Carpier等對CF/PPS復(fù)合材料的火災(zāi)行為進(jìn)行了研究，采用代表性高溫條件研究了普通PPS樹脂和CF/PPS 層壓板的熱分解,，分析了材料在輻射熱流態(tài)下的熱分解機(jī)理,。他們發(fā)現(xiàn)在非等溫條件下，氧化會(huì)在熱解結(jié)束前開始,；而在等溫條件下,，熱解在氧化之前就已完成；氧氣條件下,，CF的存在延遲了熱解起始點(diǎn)從而促進(jìn)了交聯(lián),，而在空氣中觀察不到延遲導(dǎo)致的交聯(lián)。

2.5 CF/PEEK 復(fù)合材料

PEEK是由聚芳醚酮的重復(fù)單元構(gòu)成的芳香族結(jié)晶性熱塑性聚合物,，熔點(diǎn)高達(dá)334 ℃,。自1980年英國帝國化學(xué)公司推出PEEK預(yù)浸料后，它就成為航天航空領(lǐng)域最具實(shí)用價(jià)值的先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料,。但由于它的結(jié)晶行為和結(jié)構(gòu)難以控制，導(dǎo)致在PEEK成型加工過程中對材料的可控穩(wěn)定性較差,。加工過程中的溫度及熱處理?xiàng)l件密切影響基體乃至復(fù)合材料的力學(xué)性能,。當(dāng)加工溫度從低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）升高到 Tg 以上時(shí)，CF/PEEK復(fù)合材料的磨損性能下降,；在 Tg 以上的溫度條件下,，復(fù)合材料的耐磨性明顯優(yōu)于純 PEEK；適當(dāng)降低加工溫度并縮短保溫時(shí)間可提高 CF/PEEK 復(fù)合材料的彎曲性能,。樹脂的微觀結(jié)構(gòu)及加工條件均會(huì)影響 CF/PEEK 復(fù)合材料的疲勞和斷裂行為,。基體的分子量越大，材料的抗裂紋擴(kuò)展性能越好,。此外,，退火處理也會(huì)提高材料的抗裂紋擴(kuò)展性能。但與純 PEEK 相比,，退火過程顯著提高了CF/PEEK 復(fù)合材料的電阻,，這是因?yàn)?CF 的加入引入了新的能量耗散機(jī)制，通過纖維的斷裂和拉伸,，限制了基體通過塑性變形耗散能量的能力,，因此更強(qiáng)調(diào)了基體塑性在抗裂紋擴(kuò)展中的重要性。Bonnheim 等比較了聚丙烯腈基 CF（PAN-CF）和瀝青基 CF（pitch-CF）對 CF/PEEK 復(fù)合材料抗裂紋擴(kuò)展性能的影響,。在循環(huán)加載條件下,，與 CF/PEEK 和 pitch-CF/PEEK 復(fù) 合材料相比，PAN-CF/PEEK 復(fù)合材料的抗裂紋擴(kuò)展性能有所提高,，且在退火后進(jìn)一步增強(qiáng),。pitch-CF/PEEK具有與純PEEK材料相似的抗裂紋擴(kuò)展性能，兩者均沒有受到明顯的退火影響,，這種表現(xiàn)被認(rèn)為是纖維特性與基體的復(fù)合效應(yīng),。

在CF/PEEK復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶過程中，成核起主導(dǎo)作用,，材料的拉伸強(qiáng)度與模量均隨降溫速率的增大而減小,。相對于其他熱塑性聚合物，PEEK 的結(jié)晶過程更為復(fù)雜,，結(jié)晶條件對 PEEK 的結(jié)晶行為和材料性能有非常大的影響,。Regis 等對 PAN-CF/PEEK 和 pitch-CF/PEEK 復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn) PEEK 的結(jié)晶行為不僅受到降溫速率的影響,，也受 CF 的特性,、幾何形狀和密度等因素的影響。不同表面特性的 CF 會(huì)從結(jié)晶的異相成核以及抑制結(jié)晶正反兩方面去影響結(jié)晶過程,，從而導(dǎo)致不同的結(jié)晶形態(tài),，PAN-CF會(huì)阻礙 PEEK 結(jié)晶，而 pitch-CF 則會(huì)促進(jìn)結(jié)晶,。而且不同的熱處理?xiàng)l件對 CF/PEEK 的結(jié)晶度和力學(xué)性能影響顯著,，隨著退火溫度的升高，片晶層變厚,，結(jié)晶度提高,，力學(xué)性能增強(qiáng)。Aljohani 等采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)制備了 CF/PEEK 復(fù)合材料,，研究了材料在低溫環(huán)境下的滲透性和力學(xué)性能,。CF/PEEK的界面結(jié)合較弱,，直接影響復(fù)合材料的力學(xué)性能，尤其是ILSS,。Hassan等向活化CF上引入PEEK界面層,，改性后 CF/PEEK 復(fù)合材料的ILSS、抗彎強(qiáng)度和模量分別提高了 70%,，37%,，48%，復(fù)合材料的斷裂機(jī)制由纖維脫黏轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑鎸拥淖冃魏蜆渲钠茐模ㄒ妶D 7）,。該改性方法操作簡單,，可用于生產(chǎn)大尺寸含連續(xù) CF 或 CF 織物的復(fù)合材料，具有工業(yè)應(yīng)用潛力,。

2.6 CF/PEI 復(fù)合材料

PEI 是一種無定形的高性能聚合物,，具有優(yōu)良的機(jī)械性能、電絕緣性,、耐輻照性,、耐高低溫及耐磨性能。Sharma 等對不同 CF 取向的 CF/PEI 復(fù)合材料進(jìn)行了研究,，發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維取向從 0°增加到90°時(shí)會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的摩擦性能下降,，當(dāng)纖維取向角大于加載方向時(shí)，復(fù)合材料的拉伸模量,、韌性和應(yīng)變均有所降低,；材料的摩擦系數(shù)和比磨損率隨載荷的增大而減小。Lee 等以氫等離子體處理的CF 為增強(qiáng)體制備了 CF/PEI 復(fù)合材料,，改性過程提高了 CF 與 PEI 基體的界面作用,，使得材料斷裂時(shí)纖維拔出的數(shù)量大大減少，CF/PEI 復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度,、屈服強(qiáng)度,、彈性模量和彈性系數(shù)等均有所提高。

2.7 CF/PES 復(fù)合材料

PES 是一種無定形,、透明琥珀色的特種高分子料,，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)腐蝕以及優(yōu)異的自潤滑性和電絕緣性,，特別適用于制作干滑動(dòng)元件,。Sharma 等采用等離子體處理的CF 制備了 CF/PES 復(fù)合材料以提高纖維-基體的附著力。研究結(jié)果表明,，分子量的大小對 PES 復(fù)合材料的摩擦性能和力學(xué)性能有較大影響，CF/PES復(fù)合材料的磨損率與材料層間剪切強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系,。Zhao 等發(fā)現(xiàn) SCF 能顯著提高 CF/PES 復(fù)合材料的彎曲性能,，但摩擦系數(shù)卻隨 CF 含量的增大逐漸降低,，當(dāng) CF 含量達(dá) 30%（w）時(shí)，拉伸和彎曲模量分別提高 165% 和 234%,，但摩擦系數(shù)下降 29.8%,。Li 等利用 GO 涂層顯著提高了 CF/PES 復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能，低溫環(huán)境下 CF/PES 復(fù)合材料的界面結(jié)合作用明顯高于室溫環(huán)境下,，證明 GO 涂層顯著提高了 CF/PES 復(fù)合材料的低溫力學(xué)性能,。Li 等還發(fā)現(xiàn)將 GO 涂層含量控制在 0.5%（w）左右，可使縱向和橫向的線性熱膨脹系數(shù)下降 67.0% 和 28.9%,，材料的尺寸穩(wěn)定性顯著提高,。

03 結(jié)語

過去幾十年中，CF 增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)集中在材料性能,、改性處理,、界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及成型工藝等幾方面，通過界面改性處理可提高CF 與熱塑性基體的界面結(jié)合,，CF 的增強(qiáng)可使復(fù)合材料具有更好的機(jī)械性能,，高耐熱、耐磨和耐蝕性以及更好的尺寸穩(wěn)定性,。過去幾十年中,，熱塑性復(fù)合材料和成型工藝的迅速發(fā)展，使復(fù)雜制件的量產(chǎn)化成為可能,，也可用于高性能材料以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件等,。基于近年來 CF 增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀,，對未來的發(fā)展趨勢做以下展望：

1）生產(chǎn)成本一直是制約 CF 增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料大規(guī)模使用的重要因素之一,。CF 增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料過去是作為價(jià)格昂貴的高端高性能材料在使用，近幾年來,，隨著 CF 生產(chǎn)技術(shù)的成熟以及產(chǎn)量的提高,，生產(chǎn)成本對材料發(fā)展的制約逐漸減弱。PP,、PE 等價(jià)格低廉的熱塑性樹脂亦有望作為復(fù)合材料的基體材料進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)和使用,，CF 增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料將逐漸擴(kuò)展到汽車、家電,、建筑以及市政交通等更多新的行業(yè)和領(lǐng)域,。

2）長纖維增強(qiáng)和連續(xù) CF 增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料能夠使材料具有更高的強(qiáng)度和模量，與之相關(guān)的材料制備工藝以及結(jié)構(gòu)成型關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備等均是未來的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn),。

3）CF 增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料板材及大型結(jié)構(gòu)件的性能,、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成型加工以及材料部件連接技術(shù)也是未來研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn),。

4）對 CF 與基體的界面結(jié)構(gòu)調(diào)控及相關(guān)機(jī)理的研究尚不完善,，還需要深入探索,。

5）熱塑性樹脂基體有利于 CF的回收和循環(huán)利用，在復(fù)合材料回收再利用的過程中,，如何通過工藝和技術(shù)條件等提高再生 CF 增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的使用性能,，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的高值化回收，是未來研究的重點(diǎn)之一,。