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吉林大学王贵宾教授丨碳纤维增强聚醚醚酮树脂复合材料界面的强化方案已有1人参与
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碳纤维增强PEEK复合材料 碳纤维增强PEEK复合材料是一种以特种工程塑料聚醚醚酮（PEEK）为连续相树脂基体，以碳纤维（CF）为分散相增强体的复合材料。 PEEK由于其稳定的分子链和结晶结构，使其能够在高温和复杂的化学环境下使用且在承受冲击时能吸收更多的能量，曾作为重要战略物资被国外封锁，而CF/PEEK复合材料也继承了这些优点。 碳纤维增强聚醚醚酮复合材料应用 耐高温、高比强度和高比模量的特点使得CF/PEEK复合材料在航空领域获得了不可替代的地位： 在非承力部件的应用中，美国战机F-5E，F-5F，T38和V22的起落架门和F35的发动机检查口盖均使用了CF/PEEK复合材料。研究者们在F-5F以及T38上将CF/PEEK复合材料与CF/双马树脂复合材料进行了对比飞行试验，结果表明以PEEK为树脂基体的复合材料制件具有更强的抗分层能力和更少的缺陷数量。同时，作为热塑性的PEEK树脂赋予了CF/PEEK复合材料易维修的优点。在F35发动机检查口盖的应用过程中发现，当CF/PEEK复合材料制件有轻微缺陷时，可以通过简单的加热方式使其恢复使用。 在小承力或小规模制件方面，阵风战机的发动机周围机身蒙皮以及C130的机身腹壁板均为CF/PEEK复合材料。这是利用了PEEK树脂基体使用温度高的特点。 在大规模制件领域，F117-A的尾翼也由CF/PEEK材料制造，这证明了该材料体系具有足够的强度。 在材料应用的前沿研究领域中，CF/PEEK复合材料也被赋予了足够的重视。Teneate公司联合空客等公司对CF/PEEK复合材料制造飞机机身和平尾扭矩盒进行了研究，并在后续研究计划中准备用其制造存放燃油的“湿盒”。如图Figure1.1所示。Victrex公司联合庞巴迪公司尝试了用CF/PEEK复合材料生产机翼、中央翼盒以及油箱的液压和燃油托架，这都是利用了PEEK耐溶剂和化学腐蚀的优势特性。而Stelia宇航公司则制备了全尺寸的机身验证件，包含了薄蒙皮、闪电防护、桁条和框等结构，证明了CF/PEEK复合材料可以被应用于主承力结构。 同时，CF/PEEK复合材料在航天、船舶、潜水器、车辆、军工、能源电力也得到了广泛应用。 碳纤维增强PEEK复合材料的界面性能研究 聚醚醚酮作为一种耐热耐溶剂且机械性能优异的复合材料树脂基体，在严苛环境下拥有广泛的应用空间。一般情况下，连续纤维增强树脂基复合材料的界面相是复合材料的薄弱部分：在湿热或疲劳环境中复合材料的失效普遍起始于界面相；在承受垂直于纤维方向的载荷或剪切载荷时，界面相是影响其性能的决定性因素。 对于聚醚醚酮树脂基体，其优异的耐热性和化学稳定性反而导致了其复合材料界面性能的下降： 1.由于聚醚醚酮常温下不溶于任何有机溶剂，导致树脂基体只能在熔融状态下与增强纤维相互浸润，但聚醚醚酮过高的熔体粘度使得浸润效果较差，最终形成有缺陷的界面相。 2.由于聚醚醚酮具有出色的化学稳定性，导致其在常规加工成型过程中无法与增强纤维表面形成化学键等强相互作用，使其界面性能较差。 在过去的30年中，研究者们尝试通过改善工艺条件和对纤维进行处理来增强聚醚醚酮树脂基体复合材料的界面性能，但前者提升有限，因为不能从本质上解决界面脆弱的问题；后者虽然能通过氧化、等离子体或紫外辐照等手段有效的改变纤维表面的化学环境，从而提升复合材料的界面性能，但是普遍存在周期长，成本高和不能连续化生产等缺点，背离了实际应用的出发点。 参考资料：杨砚超. 基于结晶性聚醚醚酮的碳纤维上浆剂的研究及复合材料界面构筑[D].吉林大学 碳纤维（CF）/聚醚醚酮（PEEK）复合材料的研究与应用得到了广泛的关注。其中，连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料界面强度的提高一直是热门研究课题。 为了更好的了解碳纤维增强聚醚醚酮树脂复合材料界面的强化方案，2022复合材料界面论坛邀请吉林大学王贵宾教授作为论坛特邀嘉宾，分享《碳纤维增强聚醚醚酮树脂复合材料界面的强化方案》主题报告。 报告内容 本研究工作通过化学键实现了聚醚醚酮树脂基体与碳纤维界面相互作用强化，设计研究了一种新型CF/PEEK复合材料界面增强体系，该体系利用了结晶可交联上浆剂以及电化学还原接枝碳纤维的协同作用。首先，通过电化学还原接枝将苯乙炔基接枝到碳纤维表面，提供反应位点。其次，设计合成了带有苯胺侧基和苯乙炔封端剂的可溶性聚芳醚酮上浆剂。可溶性聚芳醚酮上浆剂所带有的苯胺侧基可以在酸性水溶液中被水解，使聚芳醚酮上浆剂恢复原有的结晶性。利用上述上浆剂对经过电化学接枝的碳纤维上浆并进行热处理，碳纤维表面和上浆剂中含有的苯乙炔基会在热处理后发生交联反应，形成化学键，有效提升了界面强度。同时，结晶性聚芳醚酮上浆剂可以进一步提升复合材料界面强度，其与PEEK相似的链结构也提高了与聚醚醚酮树脂间的相容性。 专家介绍 王贵宾，吉林大学化学学院教授，博士研究生导师，吉林大学唐敖庆特聘教授。享受国务院政府特殊津贴专家，教育部新世纪优秀人才，吉林省长白山学者特聘教授。吉林省化学会理事兼应用化学专业委员会副主任、中国塑料加工工业协会专家、中国塑料加工工业协会团体标准技术委员会委员、中国化学会高级会员、吉林省长春市中级人民法院技术调查官、高分子材料合成与应用技术国家地方联合工程实验室技术委员会委员、弹性体期刊编委、物理化学进展期刊副主编、Current Chinese Science:Nanotechnology编委和Molecules编委等。 主要从事高性能聚合物的合成、成型加工、树脂基复合材料以及高性能聚合物的功能化等研究。主持承担了国家“863”高技术发展计划和国家自然科学基金等国家、省部级项目33项，取得多项科技成果。先后发表SCI论文180余篇。参编英文专著3部、中文专著2部。申请国家发明专利105项，已经授权85项。获国家技术发明奖二等奖1项；获省部级科学技术奖一等奖5项、二等奖2项。先后获得吉林省拔尖创新人才、吉林省有突出贡献的中青年专业技术人才、吉林省高级专家、吉林省青年科技奖特别奖、长春市有突出贡献专家和吉林省创新创业人才等18项荣誉称号。 |
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