做座超结构材料中的高模量碳纤维

超结构材料中的高模量碳纤维

现代复合材料技术为成品提供了杰出的机械性能，其总体机械行为已经远远超过了许多金属合金，甚至包括一些最为成熟的金属合金。尽管复合材料具有非常突出的性能，但复合材料的处理和加工却并不容易。它很难获得微小复杂的几何形状，如微小这类肉眼可见的2维材料也可利用于光学及电子纳米器件、纳米天线、传感和成像等领域细节、刻意加工的轮廓、内圆角、倒角和奇特弯曲等。

事实上，即使复合材料的性质保证达到最苛刻的项目要求，许多工业产品还是不能利用这一优势。这主要是由于材料本身的内在限制，如可以制造的最小尺寸形状。对于聚合物基复合材料，碳纤维是最普遍的增强添加剂之一，它被用于几乎所有必须具备极高机械性能的应用领域。碳纤维在热塑性化合物中得到成功的应用，目前市场上已出现可注塑增强牌号，几乎所有聚合物材料，从聚行业的需求直接影响到钒市场行情丙烯到聚醚醚酮都有相应牌号。

化合物中的纤维含量可以增加到最高50%，但挤出和注塑技术会引起纤维长度的显著缩短。这一现象严重影响了材料通过基体向纤维的应力转移自身可以获得的机械性能。如图１和图２所示，化合物的弹性模量和断裂时拉伸应力可以通过引入相应含量的高韧性碳纤维得到有效增强。

图1 纤维含量与断裂时拉伸应力的关系

图2 纤维含量与弹性模量的关系

不管怎样，实验数据表明把纤维含量增加到某一确定的临界值上，并不能进一步提高所有机械性能，包括断裂负荷。增强材料的结构、分散性和几何形状本身就存在理论上的限制，这在任何情况下都是不可能超越的。因此，纤维含量过高通常会造成性价比更差。

替代金属

随着工业发展，新项目的要求也越来越高。最频繁被要求改善的性能包括：注塑部件具有更高刚性，从而使得负荷下的变形极小；成品的翘曲和挠度更小，更加符合设计公差；增强替代金属和热固性复合材料的能力，引入成本效率更高、更环保的工业制造加工方法。

由于电子电器、精密机械和军事领域的需要，其部件和成品对精度的要求也日益增加，更加推动了这些改进工作。很明显材料专家们必须找到新的令人满意的解决方案，可能有些甚至需要克服材料内在性质和技术限制带来的困难。

LATI决心实现的目标是创造一种全新的可注塑加工的超结构化合物，以更好地利用HM航空碳纤维带来的弹性模量的急剧提高。

高弹性模量化合物

面对创造这一新结构化合物所遇到的困难，LATI把研究和开发分为三个主要部分。

◆找出最佳候选树脂

这种新生化合物注定要用于最高端的应用领域，因此只有高端的基础树脂才能用作其基体材料。聚合物的选择主要基于其机械、化学和热性能。

PPS：聚苯硫醚即使在温度高于200℃时，仍具有杰出的耐化学性能和良好的机械性能，它被看作是迈向更高阶热塑性塑料的第一步。精密机械的许多应用领域都需要几乎完全不变形的化合物，而PPS特有的尺寸稳定性和刚性使其成为一种完美的候选材料。

PPA：聚邻苯二甲酰胺特有优异的热性能和机械性能，其拉伸性能和耐蠕变、耐疲劳性能尤其突出。这种树脂可以提供优异的耐负荷性，包括静态负荷和动态负荷。正是因为这一原因相比PPA，它更适合于抗冲击用途，也是振动相关议题的最佳解决方案。

PEEK：众所周知，聚醚醚酮是性能最佳的聚合物之一。它具有极其优异的化学性能、热性能和摩擦性能，与碳纤维化合所带来的机械性能的急剧提高可完美匹配。强烈推荐在所有绝对不能牺牲性能的用途中使用聚醚醚酮，如军事、电信和化学行业。

◆选择特殊碳纤维

热塑性塑料化合行业通常使用的碳纤维选自高韧性短切原丝，可在不过度增加脆性的情况下，提高弹性模量和断裂负荷。

LATI打算测试一下高模量碳纤维纱的性质，以及使用这种高端增强材料化合后的材料性质。HM和HT纤维之间的区别非常明显：HM纱的弹性模量几乎是HT牌号的两倍。

◆调整化合方法

HM纤维的高性能应该尽可能多地转置给热塑性化合物。这一需要不能应付挤出加工的通常状况，通常挤出时会产生非常高的剪切应力、相对速度和压力，从而导致原丝严重断裂。这样产生的缺乏完整性牺牲了纤维基界面的应力传输效率。作为挤出和注塑加工的一个普遍规律，增强纤维的长度必须尽可能长。

LATI技术人员进行的几次试验都需要微调挤出参数，优化机器布局,特别是需要考虑碳为±1%设定值之内；纤维沿挤出机筒的进料位置，塑化螺杆的速度和纵断面也同样进行了优化，附带的其它问题也需要充分的解决方案，如 ：在挤出和成型过程中会形成纤维束积聚。纤维束,尤其是原丝长度较长的,会阻碍熔体流动,造成聚合物的碳化,机器故障及生成缺陷部件；熔体化合物的过高粘度。添加最高达45%(重量)的HM纤维，并引入相应体积分数的非熔融填料。熔体的粘度必须得到严格控制，以避免不良成型，以及摩擦和剪切引起的材料降解。不良的增强材料分散。碳纤维在基体内必须均匀分布，以避免成型部件机械性能的良莠不齐。

这样制成的HM(高模量)材料一族目前有三种商用新型牌号，每种都使用40%HM碳纤维进行增强：LARTON K/40 HM、 PPS基；LARAMID D K/40 HM; PPA基；LARPEEK 10 K/40 HM; 高流动性PEEK基。

试验结果

LATI HM结构性化合物和常规牌号的比较评估，表现出HM迄今为止的优越性能。

◆弹性模量

根据ISO-R-527进行的拉伸测试，第一次清楚地显示出HM化合物真正的机械优势。其弹性模量极其优异，超过40000 MPa，在常规用途中使用30%高韧性碳纤维增强的热塑性塑料弹性模量也达到极好的24000 MPa。根据选择的基体不同，这一数值会有小幅波动。

图3 弹性模量值 MPa

值得注意的是HM增强的PPS，由于其弹性模量达到49000 MPa，使得这一牌号被列入正常的金属范畴。这样的杨氏模量值充分保证了机械部件如支架、法兰盘、轴和杠杆具有更好的刚性，负荷下的几何位移要低得多。

这样可能导致塑料部件和复合材料一样——在许多工程用途被看作和金属合金具有一样的刚性，促进要求非常高的新项目中金属的替代和聚合物的引入。

经过比较，我们可以确定目前市场上最普遍使用的结构性化合物，即50%玻璃纤维增强的PA66，它比最好的HM牌号还要“软”3倍！

◆耐疲目前行业正更多地着手克服在汽车车窗上使用聚合物的工程挑战劳

增强纤维的数量和长度会影响疲劳和蠕变性能。事实上，分散的原丝在聚合物基体中生成了密集的缠结结构。

LATI HM产品使用工业级短切原丝母料，其纤维比常规化合物长。因此可以获得好得多的交联状结构，以及以下主要性能改进：通过基体形成抗疲劳聚集。长纤维的存在可以阻碍张开的裂纹，因此我们注意到一个有趣的性能改善，即疲劳现象中的失效次数和断裂时应力；静态和动态应用中的应力分布。

与其它类似碳纤维增强材料相比，其疲劳性能之间的差别（断裂时负荷与周期的关系）很有意思，而相比50%玻璃纤维增强的PA66结果则让人大吃一惊。

◆断裂负荷

碳纤维含量高不仅可以提高拉伸模量，甚至可以增强耐化合物性能。我们同样测试了断裂负荷。如果目标是顺利替代金属，就必须具备杰出的断裂应力性能。

PPA基的HM化合物断裂负荷最高可达280 MPa（拉伸，根据ISO-R-527)-这个值远远高于我们在谈论可注塑热塑性化合物时最乐观的预期结果。事实上，特有50和60%玻璃纤维的最佳工业级结构化合物断裂负荷也就接近220 MPa，且密度要高得多。

许多金属解决方案，如压铸、铸铁或zamak锌合金，也不能达到LATI HM的性能指标。

结论

LATI HM化合物为结构性热塑性塑料设定了新的参照点，为市场引进了一种新的可注塑加工化合物。它可以应用于许多要求苛刻，但不能使用金属和复合材料，或者需要替代金属或复合材料的项目。众多的工业领域都能受益于HM化合物，得到获利的机会：航空军事、精密机械、自动化和机器人、纺织工业、精密电子电器、可再生能源和绿色能源。

这些牌号的性质完全可以实现注塑技术众所周知的各种优势，即极大的灵活性，设备成本低，和快速实施新工业项目。面对现代工程技术的新挑战，这一解决方案的其它积极因素还包括对环境和人体健康影响小，废料易于处理。 (end)