碳纤维/超高分子量聚乙烯复合材料的制备及物理力学性能测试开题报告

1. 研究目的与意义

超高分子量聚乙烯是一种综合性能十分优异的热塑性工程塑料。但是由于其极高的分子量, 在具有优异性能的同时, 加工也极其困难, 使得其成型工艺比较局限。研究的目的是集中对超高分子量聚乙烯通过高强度碳纤维进行改性, 以改变其缺陷, 提高其加工流动性, 以达到增韧、增强、提高耐热以及抗磨损的性能。

超高分子量聚乙烯纤维是当今世界上第三代特种纤维，强度很高，比强度是化纤中最高的，又具有较好的耐磨、耐冲击、耐腐蚀、耐光等优良性能，它可直接制成绳索、缆绳、渔网和各种织物。虽然超高分子量聚乙烯具有综合的优异性能,但是仍有其不足之处, 比如, 表面硬度低, 耐高温性能以及抗磨粒磨损性能差等缺陷。为了使得超高分子量聚乙烯能在条件要求更高的某些场合得到应用，必须对其进行改性。超高分子量聚乙烯纤维的复合材料在军事上已用作装甲兵器的壳体、雷达的防护外壳罩、头盔等；体育用品上已制成弓弦、雪橇和滑水板等。通过高强度碳纤维对超高分子量聚乙烯进行改性后，对提高其利用率并且降低其生产成本提高经济效益方面都具有非常积极和重要的现实意义。

2. 国内外研究现状分析

我国碳纤维研究与生产并不比日本、美国晚,但发展缓慢。早在20世纪60一70年代,在国家有关部门支持下,十几家科研单位就已开始碳纤维研究工作。经过30多年努力,目前各种规格的碳纤维生产能力已达20多吨。但我国碳纤维的品质、产量与日、美等国比较至少落后20年,其主要原因是原丝品质没有真正过关,其次生产规模小,技术设备落后,产品品质不稳定,生产效益差。目前,国内碳纤维年用量为1500吨,其中95%依赖进口^[8,9]。

碳纤维由石墨层片为基本结构单元组成乱层石墨结构,数十张层片组成石墨微晶,再由石墨微晶组成原纤,进而形成沿纤维轴择优取向的同质多晶结构。由于在碳纤形成过程中,非碳原子的脱除会形成各种微小缺陷,加之微晶的大小、取向程度等诸因素影响使得最终纤维强度及模量与理论值差异较大,从另一方面说明发展高强高模碳纤维仍具有很大潜力^[10]。

碳纤维按原料分类可分为聚丙烯睛基(pan)碳纤维、沥青基碳纤维、胶粘基和酚醛树脂碳纤维,目前主要以pan碳纤维、沥青基碳纤维为主^[11]。碳纤维既有碳材料固有性质,又有金属材料的导电性和导热性、陶瓷材料的耐热性和耐腐蚀性、纺织纤维的柔软可编性以及高分子材料的轻质、易加工性能,是性能优异的功能材料和结构材料。碳纤维广泛应用于航空^[12,13]、交通运输^[14]、建材^[15]等领域外,在体育休闲和一般产业领域得到了广泛.的发展,80年代中期, 碳纤维在体育用途方面的消耗量超过宇航用途,同时在开发低电压或电磁界面隔板塑料结构件及智能材料^[16,17]方面有着巨大潜力。

3. 研究的基本内容与计划

由于超高分子量聚乙烯熔体粘度极高, 加工比较困难,限制了其的应用，超高分子量聚乙烯通过改性,可以改变其缺陷, 提高了其加工流动性,可以达到增韧、增强、提高耐热以及抗磨损的性能。但是改性后的超高分子量聚乙烯的抗冲击性、耐磨性等物理机械性能较纯的uhmwpe下降较多,下降的幅度随着超高分子量聚乙烯的比例降低而增加，因此使用碳纤维增强改性的超高分子量聚乙烯，使超高分子量聚乙烯的优异性能得到更为广泛研究和应用。

本课题研究计划大概分成三个阶段：

1.资料收集

通过在图书馆查阅期刊文献之类的资料，阅读和收集课题相关的资料。

4. 研究创新点

碳纤维增强树脂基复合材料(cfrp)是以有机高分子材料为基体、碳纤维为增强材料，通过复合工艺制备而成，具有明显优于原组分性能的一类新型材料^[2]。

它具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、便于大面积整体成型以及具有特殊电磁性能等特点，已经成为最重要的航空结构材料之一。

碳纤维增强树脂基复合材料所用基体树脂主要分为两大类^[3]，一类是热固性树脂，另一类是热塑性树脂。