D0I:10.13374/i.issn1001053x.1989.01.011 北京科技大学学报 第11卷第4期 Vol.II No.4 1989年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Juty 1989 碳纤维在聚乙烯复合材料中的作用 张崇方 (碳纤雏及复合材料研究室) 摘要：作者将莎青基碳纤维作为增强纤维以不回同比例(0一256)加人到聚乙烯树 脂中制成复合材料，并研究了这些复合材料的力学性能、电学性能及耐热性的变化规徐。 结果表明：保纤维有显若的增强作用。陆碳纤维比例的增大，该复介材料的拉伸度、弯曲 强度、弯曲模量及热变形温度均呈上升态务：而缺口冲占强度及击安电压上下降态势。碳纤 维增强的结果将使该复合材料比聚乙烯有更宽的使用花卧。 关健词：碳纤维，聚乙烯，复合材料 The Effect of Carbon Fibres in the Composite Material of Polyethylene Zhang Chongfang ABSTRACT:When pilch-basc carbon fibre add in the polyeth:lene resin with different proportions(0~25 wt%),a new composite materials are made.The change of heat resistance,mechnical and electric propertics of the composite materials are studied.The results of experiments show that tensile strength, bend strength,bend modulus and heat deformation temperature of the composite materials are increased with the increase of carbon fibre content.On the contrary, the notch impact strength and the puncture voltage are decreased. KEY WORDS:carbon fibre,polyethylenc,composite material 当前高性能碳纤维增强的复合材料在户由飞船、飞机、导弹小行着重要的应用，但价格 昂贵。近年，廉价的通用型沥肯基碳纤维在我国已研制成功。本文将试用此碳纤维以不同比 例加人到聚乙烯树脂中制取复合材料，并观察增强效果，观察复合材料性能随碳纤维含量增 加而变化的规律，为碑到成本较低、性能较好的增强塑料提供实验根据。 1988-11-30收 354
第 卷第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 一 一 。 年 月 一。 ， 碳纤维在聚 乙烯复合材料 中的作用 张 崇 方 碳 纤维及 复合材料 研究 室 摘 要 作 者将 沥 青基碳 纤维作 为增强 纤维 以 不 问比 例 卜 兀 加 人 到 聚 乙 烯 树 脂 中 制 成复 合 材 料 ， 井 研究 了这些 复合材料的 力学 性 能 、 电学 性 能及耐 热性的 变化 规 律 。 结果 表明 碳 纤维 有 显著 的增强 作 用 。 随碳 纤维 比 例的 增大 ， 该 复 合材料 的 拉 伸强 度 、 杏 曲 强 度 、 弯曲模 及 热 变 形 温 度均呈上 升态势 ， 而缺 口 冲 行强度及 击穿 电 压 呈下降 态 势 。 碳 纤 维 增强 的结果 将 使 该复合材 料比聚 乙烯有更宽的 使 用 范 围 。 关位 词 以 纤维 ， 聚 乙烯 ， 复合 材 料 亏 一 少 于 一 认 一 、、 罗石 ， 、 、 ， 飞 ‘ · 。 ， 一 、 「 。 ， 只 ， 、 、 ， 「 。 ， · ’ 。 ， 少 ， 当前高性能碳纤 维增 强 的 复合材料在 宇宙飞 船 、 飞 机 、 导 弹 ， 有 右 玉要 的应 用 ， 但价 格 昂 贵 。 近年 ， 廉 价 的通 用 型沥 青 基碳纤 维在我 国 已研 制 成功 。 本文将 试 用此碳 纤 维以 不 同比 例加人到聚乙烯树脂 中制 取 复合材料 ， 并观察增 强效 果 ， 观 察 复合材料 性能随 碳纤 维含 量增 加而 变化的规 律 ， 为得到 成 本较低 、 性能 较 好 的增强 塑料提 供 实验根据 。 一 一 收 稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1989．04．011
1实验方法 树脂采用低压高密度聚乙烯(HDPE),牌号GF7750,分子式(-CH2-CH2-)。、密 度：0.95g/cm3,白色颗粒热塑性树脂。 碳纤维为通用型沥青基短纤维，抗拉强度：800MPa,弹性模量：0GPa,断裂伸长 率：1.8%，直径：10~20μm,长度：2~5mm。 在所要制取的复合材料样品中，碳纤维含量（重量比）分别是0%、5%、10%、15%、 20%、25%。每份样的量：3kg。 制备时，先将聚乙烯树脂及碳纤维按比例加入到高速双螺杆挤出机（联邦德国，ZSK-30 型)中进行混炼和制粒。混炼温度230°C,转速200r/min。在此温度下，树脂熔融，并与 碳纤维进行快速、剧烈的混合，随后被挤成条状产品，并切成小颗粒（直径1~2mm,长 2~3mm),得到初级复合材料。 这些颗粒再用注射成型机(T-30型)模压成所需要的复合材料板材及测试样条，注射 筒温度190~220°C,注射压力：3MPa,模温：50°C。最后，对这些复合材料试样进行性 能测定。 2实结验果及讨论 样品性能测试项目：拉伸强度，弯曲强度，弯曲模量，缺口冲击强度，热变形温度，击 穿电压。 测试结果分别列于表1及图1、2。 表1复合材料性能测试结果 Table 1 The properties of the composite material 碳纤维 拉伸强度 弯曲模量 缺口冲击强度 热变形温度 比例 MPa 布融咬 GPa MPa ℃ 特息 0% 23,2 15.9 0,656 9,22 71.8 27,6 5% 25,1 17,8 0.866 1.69 88.0 23.1 10% 27,2 20.8 1.05 1.10 92.0 16,6 15% 27.1 23.1 1.06 1.00 115,3 10.1 20% 27.9 25.4 1.34 0.86 118.5 4,1 25% 29,5 26,2 1,38 0.85 115,9 2,3 实验中所用的碳纤维是通用级沥青基碳纤维。含碳量在95%以上，它们由具有乱层石墨 结构，即由类似于石墨的微品及无定形碳所组成，但层面排列无择优取向，所以并不规整， 更缺乏三维有序。 当然在类似石墨的乱层结构中，部分处在层面内的六圆环上的碳原子彼此以sp2杂化 轨道的电子组成的σ共价键相连，同时各原子的π电子又组成一个共轭体系，这就使得处于 层面内的碳原子结合非常牢固，但在层面之间仅由弱的范德华力相连。层内各原子的π电 355
实 验 方 法 树脂 采用 低压高密度聚乙烯 ， 牌号 ， 分 子 ‘ 式 一 一 一 。 、 密 度 “ ， 白色颗粒热 塑性树脂 。 碳 纤 维 为通 用型沥 青基短纤 维 ， 抗拉强 度 。 。 ， 弹 性 模 量 ， 断 裂 伸 长 率 ， 直 径 一 拼 ， 长 度 一 。 在所 要制 取 的复合材料样 品 中 ， 碳 纤 维含量 重 量 比 分别是 。 、 、 、 、 、 。 每份样 的量 。 制备时 ， 先将聚乙 烯树脂及碳纤 维按 比例加入到 高速双 螺 杆挤 出机 联 邦 德国 ， 一 型 中进行混 炼和制粒 。 混炼温 度 ， 转速 。 在此温度下 ， 树脂熔 融 ， 并 与 碳纤 维进行快 速 、 剧烈 的混合 ， 随 后被 挤成 条状 产 品 ， 并 切成 小颗 粒 直 径 一 ， 长 ， 得到初 级 复合材 料 。 这些 颗 粒再用 注射成 型机 一 型 模压 成所 需要 的复合材料 板材及 测试 样 条 ， 注射 筒温 度 一 “ ， 注 射 压 力 ， 模 温 。 最 后 ， 对这些 复合材料试样进 行性 能测 定 。 实结验果及讨论 样品性能测试项 目 穿 电压 。 测试结果分别 列于表 拉伸强 度 ， 弯 曲强 度 ， 弯 曲模量 ， 缺 口 冲击 强度 ， 热 变形 温 度 ， 击 及 图 、 名 表 复合 材 料性 能 测 试 结 果 、 碳 纤维 比 例 拉 伸 强 度 弯曲强 度 弯曲模 量 缺 日 冲击强 度 热 变形 温 度 ℃ 击穿 电 压 扭 只石 石 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 魂 一 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 实验 中所用 的碳纤 维是通 用级沥 青基碳纤 维 。 含碳量在 以 上 ， 它们 由具 有乱层 石墨 结 构 ， 即 由类似 于石墨 的微晶及 无 定形碳所组成 ， 但 层面排列无择优取 向 ， 所以 并不规整 ， 更 缺乏三维有序 。 当然在类似 石墨 的乱层结构 中 ， 部分处在层 面 内的六 圆环上 的碳 原子彼 此 以 杂 化 轨道 的电子 组成 的 共价键相连 ， 同时各原子 的二 电子 又 组 成 一个 共 扼 体系 ， 这就使 得 处于 层面内的碳原子结合非常牢 固 ， 但在层面之 间仅 由弱 的范德华力 相连 。 层 内各 原 子 的 二 电
10 32 25 P 1. 130 Ed:) 1.3 40 8 30 23 120 22 110 30 6 26 21 20 0.9 19 18 g aJmiound 2 16 501 .5 20 15 101520 25 10 15 20 25 Carbon fibre,wt'b Carbon fibre,wtb 图1复合材料拉伸，弯曲，缺门冲击强度曲程 图2复中材料弯曲板量、热变形温度、击穿电生脚线 Fig.1 Tensile,bend,notch impact Fig.2 Bend modulus,heat deformation strength of the composite material temperature,puncture voltage of the composite material 子是非定域电子，在电场作用下，易于运动。于碳纤维内的无它形碳部分，p、sp、 5p型杂化的碳原子都可能矿在。 碳纤维结构的这些特点，决主了它具有较高的比强度比货比、但义是~种脆性：材料。 聚乙烯作为一种热塑性高分了金成材料，机械强度比较差，耐热性也不高，使用温度一 般不超过80~100°C,介也常数很低。把碳纤维加到聚乙烯中去构成支合材斜，可以使它的 ··此弱点得到较大的改善。 测试结果表明：父合材料小碳纤维的圳入比由5始~25%时，复合材料比聚乙烯拉伸强 度提高8.0%~27,0%；曲强度提商11.7"~61.8%；%面模量提高32.0%~110.8%。碳 「维的增强作用是十分成老的。 热变形温度提高了16.2~41.1°C、这将使父合材料比聚乙烯能在更高的温度小使川。 击穿电压大幅度的下降，表明合材料的导性大大增强。聚乙烯是一种不良导体，容 易发生静电积累现象，在某些」工作场所会递成麻频，放。而父合材料利于消除静电。 碳纤维的脆性造成红合材料缺1山冲击强度卜降81.76~90.8。耐神击性能差是碳纤维 各种复合材料的共同弱点。 更合材料，增强纤推是·乏负倚的主要部分，因此父合材料中碳纤维含量越大，其增 强作用也越大。实验结果也表明，随碳纤维含量增人，曲线上升（或下降)逐渐变得平缓， 即复合材料性能改变的幅度逐惭缩小。“碳纤维含量超过某一数值时，复合材料力学性能反 而下降。因为复合材料的力学性能与增强纤维及基体的均匀泥合和界面的尤分润湿有关，要 求二者有良好的接触与粘接。碳下维含量太高时，T维间彼此接触增多，纤维和基体粘接 性下降，空隙增多，导致复合材料力学性能变差。一般热塑性树脂中碳仟维加入量不超过 30%~40%。 3结 论 (1)通用型沥青基碳纤维（短丝）与聚乙烯树指，用混炼制粒、注射成型的方法，可以 356
已三 ， 。 匕 蕊。侧 ﹄产 从 山一白︺弘一︸一 尸，声 曰 ， 公尹一 声叼 了人长 几 一 屯 夕 卜卜 叶从叮游通月叮朴月盯 只了曰八曰 护。‘卜三︸。一︸。﹄‘﹄沈。 户一。即﹄卜 辛 沁 一工了。一﹄ ， ， 明 乙月行 创 ‘ 戈丫 ’ 入‘火 宙 ， 曰 肠以洲 峨 二尸妇比的﹂旬三。 卜巴二。的﹄一比力 二 ， ‘ 夕 ，且 战 七。 一 ℃ ， ‘与 图 复 合 材 料 拉 伸 、 杏曲 、 缺 日 冲 击强 度 曲线 ， ， 图 名 复 中材 料弯曲模 最 、 热 变 形 温 度 、 击穿 电 优曲线 ， ， 是 非定 域 电子 ， 在 电场 作 用 卜 ， 易于运 动 。 至于 碳 纤 维 内 自无 七形 碳 部 分 ， ‘ 、 纽 、 。 型 杂化 的碳 原 子都 可能 仔在 。 碳 纤 维结 构的 这些 特 点 ， 决 定 ’ 它 具 有较 ，苟的 比强 度 和比 佼 破 ， 工又足 种脆 性 材料 。 聚 乙 烯 作 为一 种热 塑性 高分 合成材 料 ， 机 械强 度比 较差 ， 耐 热 性 也不 高 ， 使川 温度 般 不超 过 一 。 。 ” ， 介 也常 故 跳低 。 把碳纤 维 加到 聚 乙烯 中去 构 成 夏合 材 抖 ， 以使 它 的 · 叹弱 点 得到 较大 的改 善 。 测 试结 果表明 复合 材料 中碳纤 维的 加 入 止由 一 写时 ， 复合材 料比 聚乙 烯 位伸强 度提 高 乡石 万曲强 度提 高一 了 “ ‘ 一 石 ，了曲 摸五七提 拓 乡 一 少‘ 。 碳 全「维的 增 强 作用 是 十分 显 著 的 。 热 变形 温 度提 佰 一 ， 这 将 使 丈合材半斗比 聚乙 烯能 在更 高的温 度 陇 川 。 击穿 电压 大 幅 度 的 降 ， 表 明 夏合 材料 的导 ，比， 人大 增强 。 聚 乙 烯是 一种 不 良导体 ， 容 易发 生 静电积 累现 象 ， 在某 牛工 作场 所 会适 戈麻 烦 ， 碑仁粗 书故 。 而 女合材料 利 ’ 消除 外电 。 碳纤 维 的脆 性 造 成 复 合材 件缺 一 州中击强 度 卜降 正 了 百一 梦 。 耐 冲击性 能差是 碳纤 维 各 种复 合材料 的共 同弱点 。 夏合材料 ，卜 ， 增 强纤 维 是 火交 负荷的 上 要部分 ， 因此 夏合材料 中碳 纤 维含量越大 ， 其增 强 作用 也 越大 。 实验 结 果 也表明 ， 随 谈纤 维含量增大 ， 曲线 上 升 或 下 降 逐渐 变 得 平缓 ， 即 复合材料性 能改 变 的幅 度逐渐 缩 小 。 当碳 纤 维含 量 超 过某 一 数值时 ， 艾合材 料 力学性 能 反 而 下降 。 因 为复合材料 的 力 学 性能 与增强纤 维及 甚 体的均 匀 混 合和界 而 的充分润湿 有关 ， 要 求 二 者有 良好 的接 触 与枯 接 。 ’ 碳 汗维含觉 太 高 付 ， 纤 维 间彼此接 触增 多 ， 纤 维 和 基体粘接 性 下降 ， 空隙增 多 ， 导致 交合材 料 力 势性能 变差 。 一 般 热塑 性树 脂 中碳 纤 维加 入 量 不 超 过 一 。 结 论 通 用 型沥 青基碳纤 维 短丝 与聚 乙 烯 树脂 ， 用 昆炼 制 粒 、 注 射成型 的方法 ， 可以
制成复合材料。 (2)在碳纤维含量0~25%的范围内，复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、热 变形温度皆随碳纤维比例增大而提高，最大提高量分别为：27.0%；64.8%：110.8%； 44.1°C。 (3)复合材料的击穿电压及缺口冲击强度皆随碳纤锥比例增大而显著下除。 致谢：北京化工研究院协助完成实验工作，谨致谢意， 参考文献 1王茂章，贺福.碳红维的制造、性质及其应用.北京：科学出版社.1984 2 Delmente J.Technology of Carbon and Graphile Fiber Composites.Van Nosirand Reinhold Company.1981 3张崇方.石油沥青基各向同性碳纤维的沥青调制，北京铁学院资料.1987 4余宗森等.北京钢铁学院学报.1988；10(3)：364 u也气心心也5化万地也也7巴u也式也也r也也也g也世巴 自动辨识装置 (智能辨识与建模系统) 由我校研制的自动辨识装置，是一个集频域分析、时域分析及建模等多种功能于一体的 智能化的自动辨识与建模系统。该装置依靠IBM-PC/XT(包括兼容机)和高递AD,DA 作硬件支持，15000余条程序（汇编和高级语言），又使得该系统既具备先进的测试仪器功 能，同时又能自动进行多种复杂的建模运算，为使用者提供了一个性能价格比高，一机多用 的获得系统动态特性及其数学模型的有力工具。该系统达到了8)年代初国际水平。 该系统具有AD接口，与被测对象联机即可进行在线辨识试验、其输入输出数据也可作 盘以备再处理。 考虑到基于伪随机信号与相关技术的辨识方法，在线应用效果很好，抗干扰能力强， 号幅值可以很小，几乎对被测系统没有什么影响，该系统实现了这种算法。以前，进行相关 辨识试验要用专门的仪器来作，现在该系统就可取代，且具有强得多的绘图功能和数据处理 功能。 系统在一定频蕊范围内实现了自动打频、组合频率测试等，且能给出拟合出的传递函 数，绘出Bode图或Nyqvist图。 时域中差分方程的建模算法很多，该系统包括了流行的各种算法。 为了得到一个好的数学模型，需要使用者有相当的辨识试验的经验。系统还具有试验参 数智能化的选择功能，在具备初步的先验知识下，试验能自动进行，能较快地获得好的模型。 同样，频域辨识中也存在最佳试验信号参数的选择问题，如扫频的最低频率、最高颍 京、频率变化步长等。系统在给定初步的先验！识即可完成这些信号参数的自动选择。 357
制 成复合材料 。 在碳 纤维 含量 一 的范围 内 ， 复合材料 的拉伸强 度 、 弯 曲强 度 、 弯 曲模 量 、 热 变形 温 度皆随碳 纤 维 比 例增大 而提高 ， 最大 提高量 分 别 为 。 “ 。 复合材料 的击穿 电压及 缺口 冲击 强 度皆随 碳纤 维 一 七例增大而 显著下 降 。 致 谢 北 京化 工 研究 院协助 完 成实验 工 作 ， 谨致 谢意 。 参 考 文 献 王 茂章 ， 贺福 碳 纤 维 的制造 、 性质及 其应 用 北 京 科学 出版社 。 一 二一 。王 〕 ， ，。 。 。 张崇方 石 油沥青 基各 向同性碳纤维 的沥青 调制 北京 钢铁 学院资料 余宗 森等 北 京钢铁 学院 学报 。 自 动 辨 识 装 置 智 能辨识 与建 模 系统 由我校研制 的 自动辨识装置 ， 是一个 集频域分 析 、 时域分 析及建 模等 多种功 能于 一体的 智 能化的 自动 辨识 与建模系统 。 该装置依 靠 一 包括 兼容机 和高递 ， 作硬 件支持 ， 余 条程 序 汇 编和高级语言 ， 又使 得该系统 既具 备先进 的 测 试仪 器功 能 ， 同 时又 能 自动 进行多种 夏杂 的建模运 算 。 为使 用者提供 了一个性 能价 格 比 高 ， 一机 多用 的获 得 系统动 态特性及其数学模型 的有力工 具 。 该 系统 达 到 了 年代 初 国际 水 平 。 该 系统具有 接 口 ， 与被测 对象联机 即可进 行在线辨识 试验 ， 其输 声 、 输 出数据 也 可存 盘以 备再处理 。 考虑到 基于 伪随机信号 与相 关技术 的辨识方 法 ， 在经 应 用 效 果 很 好 ， 抗千 扰能 力强 ， 信 号幅 值 可以 很 小 ， 几 乎对被测 系统 没有什 么影 响 ， 该 系统 实现 了这 种 算法 。 以 前 ， 进 行 相关 辨识 试 验 要用 专门 的仪 器来 作 ， 现 在该系统就可 取 代 ， 且具 有强 得 多 的绘 图功能 和数据 处理 功 能 。 系统 在一定频率范 围内实现 了 自动 扫频 、 组 合频率测试 等 ， 且能 给 出 拟 合 出的传递函 数 ， 绘 出 或 手 不 图 。 时域 中差 分 方程 的建 模 算法很多 ， 该系统包括 了流行 的各 种 算法 。 为 了得到 一 个好 的数学模型 ， 需要使 用 者有相 当的辨识试验 的经验 。 系统还 具有试验参 数智 能化 的选 择功能 ， 在具备初步 的先验 知识下 ， 试验能 自动进 行 ， 能 较快 地获 得好 的模型 。 同样 ， 频域 辨识 中也存 在 最佳试验信号参数 的选择问题 ， 如 扫 频 的 最低频率 、 最 高领 率 、 频率变 化步长等 。 系统在给 定初步 的先验知识 即 可完成这些信号 参数 的 自动选择
