PP／碳纖維複合材料力學性能的研究

PP／碳纖維複合材料力學性能的研究

徐久升

摘要：綜合考慮碳纖維材料的加工適應性以及對基體力學性能改善的能力，分別選取了短切碳纖維和碳纖維粉末作為增強相，比較了它們對於PP 的增強效果以及加工的難易，通過測定拉伸性能和衝擊韌性考察了短切碳纖維的含量以及碳纖維粉末的含量對各自複合材料力學性能的影響。結果表明，隨著碳纖維含量的增加，兩種複合材料的衝擊韌性以及拉伸性能都呈先增加後減小的趨勢，短切碳纖維作為增強相對於基體樹脂的力學性能增強效果更為顯

著，碳纖維粉末作為增強相的複合材料加工適應性強，性能更加穩定，該研究對碳纖維製品的實際注塑生產具有十分重要的意義。

關鍵詞：PP／碳纖維複合材料；拉伸強度；衝擊韌性

Researchon Mechanical Properties of Carbon Fiber Reinforced PP Composites

XuJiusheng

Abstract ：In consideration of the difficulty of producingand the ability of property improving，short carbon fiber and carbon fiber powder were selected asreinforced phase to compare the improving effect and producing difficulty ofthem，the influencesof short carbon fiber／carbon fiber powder on the mechanical properties of these twocomposite materials were discussed by determining tensile property and impacttoughness. The results show that with the content of carbon fiber increase，the impact toughness and the tensileproperty of these two composite materials increase first and then reduce，the reinforce effect of mechanicalproperty are more obvious if short carbon fiber is chosen as the reinforcedphase，on thecontrary，whencarbon fiber powder is chosen to be reinforced phase，a composite material with morestable property and easier producing adaptability is acquired， which is instructive to theactualinjection production of carbon fiber products.

Keywords ：PP／CF composite ； tensile strength ； impact toughness

碳纖維是含碳量高於90％的無機高分子纖維，按其原料可分為3 類：聚丙烯腈基(PAN) 碳纖維、石油瀝青基碳纖維和人造絲碳纖維，其中聚丙烯腈基碳纖維用途最廣，需求量也最大，碳纖維是通過有機母體纖維( 聚丙烯睛、粘膠絲或瀝青等) 高溫(1000～3 000℃，惰性氣體環境) 分解，碳化製成的，碳纖維增強複合材料(CFRP) 是以碳纖維作為增強體的複合材料，與傳統材料相比，它具有高比強度、高比模量、質量輕等優越性能，密度不到鋼的1／4，

能像銅那樣導電，比不鏽鋼還耐腐蝕，拉伸強度一般都在3 500 MPa 以上，是鋼的7～9 倍，拉伸彈性模量為23 000～43 000 MPa，也高於鋼，在新型民用超音速飛機、水下核潛艇、高速列車等尖端科學技術領域以及建築、機械、化工等領域得到愈來愈廣泛的應用，並且在某些領域有逐步取代傳統金屬材料的趨勢。碳纖維的加入大大改善材料的力學性能，目前市場上的碳纖維主要有纖維態、粉末態兩種，對於纖維態碳纖維，由於本身纖維的形態可以承受高強度的力學性能，但對於大型複合製品，由於纖維表面的靜電吸引作用，導致纖維和基體很難均勻混合所以加工成型的難度大、成本高，而對於粉末態碳纖維的複合製品，其力學性能略遜，但是加工成型則較容易，筆者通過測定短切碳纖維增強PP 複合材料以及碳纖維粉末增強PP 複合材料的力學性能，考察了短切碳纖維以及碳纖維粉末的含量對各自複合材

料力學性能的影響，最後比較了兩者對於基體樹脂(PP) 的增強效果以及加工的難易，這為生產實際中使用碳纖維的形態選擇提供了參考。

1　實驗部分

1．1　實驗原材料

短切碳纖維增強PP複合材料：東莞常平塑膠化工經營部；

碳纖維粉、PP：廣東茂名石化實華股份有限公司。

1．2　儀器及設備

注塑機：EM150–SVP型，震雄集團；

熔體流動速率測定儀：ZXNR–400A 型，上海左科儀器設備有限公司；

拉伸試驗機：TCS–2000型，台灣高鐵科技股份有限公司；

簡支梁擺錘式衝擊試驗機：揚州市江都道純試驗機械廠；

錐形雙螺桿擠出機：SJSZ20／40型，武漢怡揚塑料機械廠。

2　結論

(1) 隨著碳纖維含量的增加，兩種複合材料的衝擊性能以及拉伸性能都呈先增加後減小的趨勢；

(2) 短切碳纖維增強PP 複合材料的力學性能在碳纖維質量分數達到8% 左右達到極值，碳纖維粉末增強PP 複合材料的力學性能在碳纖維質量分數達到25% 左右達到極值；

(3) 短切碳纖維作為增強相對基體樹脂的力學性能增強效果更為顯著，碳纖維粉末由於其粉末形態，更容易均勻分散於基體樹脂之中，其加工適應性強，性能更加穩定。實驗對於碳纖維複合製品的實際工藝生產具有一定的借鑒意義。