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碳纤维增强聚苯硫醚复合材料界面性能

的研究进展

摘要：碳纤维-热塑性树脂基复合材料（CFRTP）因其质量轻、强度高、成型

周期短、耐冲击性能好、可循环使用等特点，正逐步成为下一代CFRTP的发展趋

势。其中，聚苯硫醚（PPS）因其吸湿性小、热稳定性好、结晶性好、抗溶剂性

强等特点，成为CFRTP的首选树脂基质。上个世纪末，我国的湾流G650型商用

客机的机尾已经被采用。近年来，波音、空客等公司纷纷将CF/PPS复合材料用

于副机翼肋、方向舵前缘、升降舵辅翼肋等次级承载结构，但目前对其力学性能

的认识还不够深入。然而，碳纤维（CF）具有较高的碳含量及较高的表面惰性，

使其与PPS之间的相容性较差，为此，本项目拟对CF/PPS进行界面改性，以改

善其相容性。

关键词：碳纤维；聚苯硫醚；复合材料

1碳纤维增强PPS复合材料的研究意义

CFRTP由于其质量轻、强度高、成型周期短、可循环使用等优点，已逐渐成

为下一代CFRTP的发展方向。其中，碳纤维/聚苯硫醚（CF/PPS）因其优异的热

稳定性能和优良的环境耐候性能，在航空、航天等领域得到了广泛的应用。但是，

PPS对碳纤维的浸渗作用不足，使其力学性能不高，严重制约了其实际应用。因

此，如何对碳纤维/聚苯硫醚（CF)/聚苯硫醚（PPS）复合材料进行界面设计，以

增强其界面粘接性能，是当前迫切需要解决的问题。

2碳纤维增强热塑塑料复合材料

目前，CFRP在航空航天、工业、交通运输和国防等方面有着广泛的应用。但

是，随着研究的深入，其对生态系统的危害越来越大。另外，CFRTS材料也有一

些不足之处，如冲击韧性差，局部损伤修复困难，制备周期长等。近年来，随着

国家和民众越来越关注生态环境问题，在应用复合材料时，已不能仅以其性能指

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标为参照标准，还必须与可持续发展相适应，因此，各国迫切需要一种既能满足

传统结构要求，又能最大限度降低环境污染的新型复合材料。碳纤维再生材料只

需加热和熔化，就能达到循环使用的目的，减少了对生态环境的污染；此外，碳

纤维增强塑料还具有较高的冲击韧性和较好的环境耐候性能。因此，CFRTP在学

术界和产业界都受到了极大的关注。它的特点是高强度，无毒，阻燃，尺寸稳定。

近年来，碳纤维增强聚碳酸酯在体育方面得到了广泛的应用，如滑板和登山杖。

结果表明，短切炭纤维的掺入量与炭纤维的掺入量呈正相关。研究发现，短切碳

纤维加入量越多，其抗拉强度越高，弹性模量越大。结果表明，在短切碳纤维质

量分数为7.5%的情况下，可获得52.68MPa的峰值，5.41GPa的峰值。

3成形过程对复合材料及其界面性质的影响

由于聚苯硫醚具有很高的熔点和很高的粘度，所以它的成形温度要求高于

300℃，成形压力要求高于1.0MPa。表1列出了一些有代表性的模制过程参数，

以T300纤维为原料，以交联型聚苯硫醚为原料，对其进行热压成膜。当成型温

度为315℃~345℃、1MPa~2MPa、15min~45min时，层间剪切强度为

38MPa~48.5MPa，层间剪切强度为330℃、1.0MPa、30min时。采用悬浮法在日本

东丽公司T300—300CF上涂覆了PPS树脂粉，在320℃，2.8MPa环境中保持20

分钟，制得了剪切强度约为86MPa的单向复合材料层板。电子显微镜观察表明，

聚苯硫醚与炭纤维界面结合良好。在碳纤维的熔化过程中，环氧浆料发生了裂解，

残余物对碳纤维与碳纤维之间的界面结合产生了影响。以国产T300碳纤维布为

原料，以PPS膜为基材，在300℃-330℃