先进复合材料在不同工作环境中的性能稳定性,决定了材料应用的可能性和最终价值。连续性碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)复合材料具有诸多的性能优势,其在较大温差环境下的良好性能表现,为要求严格的工业领域所看重,也为其在电子电气、高精密机械仪表、工业高端设备、石油化工等领域中的更广泛应用提供了有利条件。

       但是,国内连续性碳纤维增强PPS复合材料的应用目前尚处于初始阶段,较为常见的还是碳纤维粉末或者短切碳纤维增强PPS的形式,能够提供成熟的连续性碳纤维增强PPS制品的厂家为数不多,就连连续碳纤维增强PPS这类热塑性碳纤维复合材料预浸料主要还是依靠进口。拉菲8无锡拉菲8新材料科技有限公司是国内仅有的几家致力于热塑性碳纤维复合材料研发的企业之一,拉菲8的研发部门在有效解决了碳纤维与树脂基体的浸润问题后,进一步研发出热塑性连续碳纤维增强复合材料预浸料的制造技术,为PPS等热塑性碳纤维复合材料制品的应用打下了基础。下面,就以我公司生产的连续性碳纤维增强PPS复合材料板作为实验样品,对该类产品在不同温度下的性能表现作一简要说明。

温度持续升高情况下的层间剪切强度变化:

       将连续性碳纤维增强PPS复合材料板样品放置于高温炉内,在炉内温度稳定于某一温度时再开始测试,然后再依次调高温度再测试。发现随着温度的升高,连续性碳纤维增强PPS复合材料板的层间剪切强度ILSS有所降低,即便如此,当温度到达 85℃即玻璃化转变温度时,这种由连续性碳纤维增强的PPS复合材料板的ILSS 保持率还有92.5%,在 205℃时,ILSS保持率仍然接近40%。

      随着温度的升高,PPS复合材料的聚合物链段从冻结状态逐步向剧烈运动状态转变,当温度超过玻璃化转变温度(约为 85℃)时,树脂基体的性能会产生弱化。在超过玻璃化转变温度后ILSS大幅度降低,这是因为树脂基体和增强纤维之间的热膨胀系数不同,温度的升高导致两者的界面粘结强度有所下降。

在高低温循环情况下的层间剪切强度变化:

       为了考察高低温循环对连续性碳纤维增强PPS复合材料板性能的影响,将其放置于高低温变换环境中进行多次循环实验。发现连续性碳纤维增强PPS复合材料板在经历不同次数的高低温循环后,ILSS 均有下降,随着高低温循环次数的增加,ILSS 的下降幅度逐渐趋于平缓。不过,经历15次100℃–20℃高低温循环后,ILSS的保持率仍有87.7%,经过15次150℃–50℃的高低温循环后,ILSS 的保持率仍然为 76.5%。由此可见,该连续性碳纤维增强PPS复合材料板对高低温循环并不是特别敏感。在高达100℃的温差条件下,这种连续性碳纤维增强PPS复合材料板的ILSS呈现出较好的稳定性。

       随着高低温循环次数的增加,连续性碳纤维增强PPS复合材料板的ILSS之所以会逐步下降,同样是因为树脂基体和增强纤维之间的热膨胀系数不同,经历高低温循环后,两者界面的粘结强度下降引起的。而且,在高温条件下,聚合物链段充分伸展,温度骤降又会使聚合物链段急速收缩,从而在材料内部产生较低的热应力,这在纤维与树脂的界面处表现得尤为明显。

       实验表明,通过考察不同温度条件下对连续性碳纤维增强PPS复合材料板层间剪切强度的结果显示,在不同温度下,我公司生产的这种连续性碳纤维增强PPS复合材料板性能比较稳定,这也标志着国内连续性碳纤维增强PPS复合材料制品的技术水平上升到了一定的高度,有望在短时间内达到甚至是超过国际同类产品水平。

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