熱塑性碳纖維復(fù)合材料近些年隨著技術(shù)的進(jìn)步而出現(xiàn)較好的發(fā)展態(tài)勢，尤其在航空航天領(lǐng)域中，熱塑性碳纖維被應(yīng)用的案例越來越多，如機(jī)翼、起落架艙門、襟翼、雷達(dá)罩等。飛機(jī)在飛行過程中，長時間暴露在空氣中，會面對光照、溫度、濕度、風(fēng)力、雷電等環(huán)境因素的襲擾，這些環(huán)境因素是否會加快熱塑性碳纖維復(fù)合材料的降解和老化呢？其性能是否會隨之大幅下降，甚至缺失呢？智上新材料將引用國外專業(yè)論文的相關(guān)知識，以熱塑性碳纖維聚醚酮酮（CF/PEKK）復(fù)合材料為基礎(chǔ)，以真實(shí)的數(shù)據(jù)做一些介紹。
 
 
　　模擬環(huán)境下對CF/PEKK復(fù)合材料進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)
 
　　濕度、溫度、紫外線、鹽度、風(fēng)力等環(huán)境因素同時存在時，可以引發(fā)協(xié)同降解機(jī)制，對材料的物理形態(tài)和各項(xiàng)性能帶來負(fù)面影響。如過量水分可以產(chǎn)生增塑劑效應(yīng)，降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，影響纖維和基體粘附能力。而紫外線會導(dǎo)致基體發(fā)生光氧化反應(yīng)，破壞化學(xué)結(jié)構(gòu)，引發(fā)鏈斷裂和新的交聯(lián)，降低復(fù)合材料的強(qiáng)度、耐熱性，還會引起復(fù)合材料脆性提升，出現(xiàn)局部開裂的情況。
 
　　本文涉及的聚醚酮酮（PEKK），它是聚芳醚酮類高性能熱塑性樹脂的一種，與碳纖維材料充分浸潤后形成的CF/PEKK復(fù)合材料具有較好的性能平衡性，包括較好的熱穩(wěn)定性、低吸濕性、優(yōu)異的耐燃性、較好的高韌性，同時拉伸強(qiáng)度和模量也比較高。
 
 
　　國外專業(yè)論文中，實(shí)驗(yàn)過程中選擇溫度、濕度（水分）和紫外線為基礎(chǔ)的環(huán)境因素，通過調(diào)節(jié)后形成參照對比，對CF/PEKK復(fù)合材料樣品進(jìn)行長時間的測試，利用動態(tài)力學(xué)分析（DMA）的方式記錄CF/PEKK層壓板的粘彈性能和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）的變化數(shù)據(jù)，并推導(dǎo)對應(yīng)的結(jié)論。
 
　　環(huán)境因素對CF/PEKK粘彈性能和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響
 
　　1、吸濕率提升過程：CF/PEKK層壓板在80℃和90%濕度的環(huán)境中，自身重量隨著暴露時間的增加而提升，但提升是有上限的，這種提升是因?yàn)槲樟艘欢ǖ乃?。通過對測試過程的觀察，發(fā)現(xiàn)前6個小時，吸水量快遞上升，吸濕率達(dá)到0.18wt%，在隨后的50天內(nèi)緩步達(dá)成飽和狀態(tài)，最大吸濕率0.23wt%左右。
 
 
　　2、濕度（水分）對粘彈性能和Tg的影響：能量損耗率（tanδ）數(shù)據(jù)顯示，損耗達(dá)到頂點(diǎn)時，Tg降低了約1.8%（165℃下降至162℃）；存儲模量(E'）數(shù)據(jù)顯示，濕熱處理前后的存儲模量在30℃已經(jīng)開始出現(xiàn)一定的差距，隨著溫度上升存儲模量均逐步下降，當(dāng)存儲模量急劇下降的拐點(diǎn)出現(xiàn)時，Tg降低了約8.5%（153℃下降至140℃）；損失模量(E”）數(shù)據(jù)顯示，損耗達(dá)到頂點(diǎn)時，Tg降低了5.2%（162℃下降至154℃），說明粘彈性能出現(xiàn)下降。以上數(shù)據(jù)綜合起來發(fā)現(xiàn)，濕熱因素使聚合物基體塑化，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）下降，粘彈能力也出現(xiàn)下降。
 
 
　　3、紫外線輻對粘彈性能和Tg的影響：將CF/PEKK層壓板樣品置于紫外線環(huán)境中，分別照射200、600、1200和2400小時。能量損耗率（tanδ）數(shù)據(jù)顯示，損耗達(dá)到頂點(diǎn)時，Tg分別是161℃、165℃、169℃和167℃，200小時時Tg相對較低，其他3個時段都稍高一些。
 
　　存儲模量（E'）數(shù)據(jù)顯示，在溫度50℃時，4組不同照射時段的CF/PEKK層壓板樣品的存儲模量的上限已經(jīng)有極大的差距，分別是40GPa、26GPa、18GPa和10GPa，說明紫外線照射對復(fù)合材料模量的影響極大，降解效果非常明顯，大幅拉低了復(fù)合材料的力學(xué)性能。另外4組樣品存儲模量急劇下降的拐點(diǎn)出現(xiàn)時，Tg分別是147℃、130℃、106℃和105℃，下降同樣非常明顯。
 
 
　　損耗模量(E”）數(shù)據(jù)顯示，4組不同照射時段的CF/PEKK層壓板樣品的Tg數(shù)值很接近，分別是157℃、160℃、162℃和162℃，說明紫外輻射作用對分子鏈鍵沒有顯著影響，對應(yīng)的粘彈性能也沒有顯著的變化。
 
 
　　4、熱沖擊（溫度）對粘彈性能和Tg的影響：熱沖擊處理后，能量損耗率（tanδ）數(shù)據(jù)顯示，損耗達(dá)到頂點(diǎn)時，Tg上升了1.2%(165℃上升至167℃）；存儲模量（E'）數(shù)據(jù)顯示，在50℃時，熱沖擊前后的存儲模量存在較大差距，分別是35GPa和48GPa，提升了37%，而存儲模量急劇下降的拐點(diǎn)出現(xiàn)時，Tg分別是153℃和155℃，上升了1.2%；損耗模量(E”）數(shù)據(jù)顯示，損耗達(dá)到頂點(diǎn)時，Tg分別是162℃和163℃，也略微提升了一點(diǎn)。綜合起來說明熱沖擊增加了復(fù)合材料的剛度，但對Tg幾乎沒有影響。
 
 
　　通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因素對熱塑性碳纖維復(fù)合材料性能的影響是非常直觀的，尤其濕度和紫外線對于其力學(xué)性能的影響非常大。當(dāng)然這只是模擬了自然環(huán)境的部分因素，若是置于真實(shí)的自然環(huán)境中，不可控的因素還有很多。在各種因素的影響下，熱塑性碳纖維復(fù)合材料需要面臨的考驗(yàn)和問題會更多，出現(xiàn)降解和老化的概率更高?；谶@種現(xiàn)實(shí)，全世界碳纖維方面的研究機(jī)構(gòu)和團(tuán)隊，需要花費(fèi)更多的時間和精力，掌握核心技術(shù)，才能真正的將碳纖維及復(fù)合材料的價值發(fā)揮出來，讓碳纖維和特種塑料的作用應(yīng)用到更廣闊的舞臺。
 
　　本文涉及論文來源：https://doi.org/10.1177/0731684413515955