高分子材料畢業(yè)論文

1、. 畢業(yè)論文 碳纖維/nr/cr復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能的研究 學(xué)生姓名： 孫峻航 學(xué)號(hào)： 092074238 系 部： 材料工程系 專 業(yè)： 高分子材料與工程 指導(dǎo)教師： 張保衛(wèi) 二零一三年六月精品.誠(chéng)信聲明本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。 本人簽名： 年 月 日精品.畢 業(yè) 論 文 任 務(wù) 書論文題目：碳纖維/nr/cr復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能的研究系部：材料工程系 專業(yè)：高分子材料與工程 學(xué)號(hào)：092074238學(xué)生：孫峻航 指導(dǎo)老師：張保衛(wèi)（副教授）專業(yè)負(fù)責(zé)人：李歆1.設(shè)計(jì)論文的主要任務(wù)及目標(biāo)主要任務(wù)：設(shè)計(jì)采用不同含

2、量的碳纖維來(lái)改性nr/cr，對(duì)比研究沒加碳纖維 時(shí)nr/cr復(fù)合材料的力學(xué)性能。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：改性后獲得的nr/cr復(fù)合材料的各個(gè)力學(xué)性能較純nr/cr復(fù)合材料 的力學(xué)性能明顯提高。2設(shè)計(jì)（論文）的基本要求和內(nèi)容（1）基本要求1）撰寫格式規(guī)范、工整，章節(jié)內(nèi)容明確，字?jǐn)?shù)12萬(wàn)；2）文獻(xiàn)綜述包括國(guó)內(nèi)外的前沿動(dòng)態(tài)以及本課題的創(chuàng)新點(diǎn)；3）數(shù)據(jù)真實(shí)可信、圖表準(zhǔn)確，分析合理；4）結(jié)論具有代表性及再現(xiàn)性；5）外文翻譯準(zhǔn)確，且與課題有關(guān)。（2）主要內(nèi)容 1) 碳纖維的表面處理和烘干； 2）處理好的碳纖維加入nr/cr時(shí)混煉的程序；3）比較改性后的nr/cr和純nr/cr的力學(xué)性能3.參考文獻(xiàn)1謝富霞,李擁軍,李吉

3、宏,等.偶聯(lián)劑改性炭黑對(duì)橡膠性能的影響j.橡膠工業(yè)業(yè),1996,43(6):335-338.2楊清芝.現(xiàn)代橡膠工藝學(xué)m.北京:中國(guó)石化出版社,1997:194.3衛(wèi)建軍，宋進(jìn)仁，劉郎.碳纖維表面處理對(duì)短炭纖維增強(qiáng)炭基復(fù)合材料強(qiáng)度的影響j.炭素技術(shù)，1999(2):24一27.4王作齡編譯. 海綿橡膠. 世界橡膠工業(yè)，2000，27（2）：22.精品.5許嘉敏.碳纖維表面改性及其表征的研究j.高分子材料科學(xué)與工程，1990，(1) :66.6李潤(rùn)民，賀福.碳纖維的表面處理研究一碳纖維表面自由能及其退化淺析j.纖維復(fù)合材料，1993，(1):17一20.4.進(jìn)度安排論文各階段名稱起 止 日 期1分

4、析題目，查閱資料，開題報(bào)告。2013.3.1-2012 .3.202備料，制定實(shí)驗(yàn)方案。2013.3.21-2012.4.63依照方案進(jìn)行前期實(shí)驗(yàn)。2013.4.7-2012.5.84進(jìn)行宏觀取舍，優(yōu)化方案。2013.5.9-2012.5.105進(jìn)行后期實(shí)驗(yàn)，制備成品，進(jìn)行性能測(cè)試。2013.5.13-2012.6.5 6整理數(shù)據(jù)，編寫實(shí)驗(yàn)論文。2013.6.6-2012.6.12 7論文審閱，修改，進(jìn)行論文答辯。2013.6.20-2012.6.22精品.精品.碳纖維/nr/cr復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能的研究摘要：本文采用nr/cr按一定比例混合形成混合膠，然后按不同含量的加入碳纖維(碳纖維先放至硫

5、酸里，再烘干4小時(shí)），不同含量的碳纖維對(duì)nr/cr混合膠的性能的影響，再煉膠過程中加入炭黑，氧化鋅，硬脂酸，促進(jìn)劑，硫磺。本文研究了一定比例下的nr/cr按1比1（各自50克），不同的碳纖維含量（測(cè)5組，分別加入0.5克，1克，1.5克，2克.4克，碳纖維放入之前要放到硫酸里脫水保存，在取出烘干，在用煉膠機(jī)進(jìn)行煉膠混合，期間分別加入上述幾種添加劑，直至成品，在用硫化儀測(cè)試硫化曲線，測(cè)試完后用平板硫化機(jī)進(jìn)行硫化至成品，最后測(cè)試成品的拉伸性能，撕裂性能，硬度，并用電子顯微鏡測(cè)出其結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵字：碳纖維，nr/cr，性能，結(jié)構(gòu)精品.research on/nr/cr carbon fibercompo

6、sitematerial structure and performanceabstract: in this paper, using nr/cr are mixed according to a certain proportion to form a mixed glue, and then according to the different content of the added carbon fiber (carbon fiber first put to sulfuric acid, then drying for 4 hours), influences the perfor

7、mance of carbon fiber with different content of nr/cr mixed with glue, then mixing process by adding carbon black, zinc oxide, stearic acid, accelerator, sulfur.this paper studies a certain proportion of nr/cr at a ratio of 1 to 1 (each 50 grams), carbon fiber content of different (measured 5 groups

8、, respectively, add 0.5 grams, 1 grams, 1.5 grams, 2 grams.4 grams, put. sulfuric acid dehydration before preservation, carbon fiber placed in removal of rubber mixing, drying, in the rubber mixing machine during the several additives were added in the test, until the finished product, vulcanization

9、 curve, with a rheometer test after vulcanizing vulcanizing machine with a flat to the finished product, tensile properties, the test product tear properties, hardness, and electron microscopy was used to measure their structure.keywords:carbon fiber,nr/cr,performance,structure 精品.目錄1 前言- 3 -1.1 天然橡

10、膠的概述- 4 -1.2 氯丁橡膠的概述- 6 -1.3碳纖維- 7 -1.4 碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能- 8 -1.5.碳纖維復(fù)合材料國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)- 10 -1.6本論文研究的目的和意義- 11 -2 實(shí)驗(yàn)部分- 12 -2.1實(shí)驗(yàn)原料- 12 -2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備- 12 -2.3實(shí)驗(yàn)配方- 13 -2.4 實(shí)驗(yàn)工藝- 14 -2.6.1混煉- 15 -2.6.2硫化- 16 -3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析- 18 -3.1纖維表面形貌分析- 18 -3.2碳纖維增強(qiáng)nr/cr的力學(xué)性能的分析- 19 -3.2.1拉伸性能- 19 -3.2.2抗撕裂性能- 19 -3.3力學(xué)性能分析- 21 -3.4數(shù)據(jù)分析

11、- 22 -4 結(jié)論- 26 -5 參考文獻(xiàn)- 27 -精品.1 前言 碳纖維(cf)是由元素c構(gòu)成的一類有機(jī)纖維，由于它本身具有高比強(qiáng)度、高模量、耐高溫，耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異的性能用它增強(qiáng)樹脂基體可畦予其復(fù)合材料以上性能。目前幾乎沒有什么材料具有這么多的特性因此，碳纖維及其復(fù)合材料近年來(lái)發(fā)展十分迅速。用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究、開發(fā)報(bào)道已有很多并且獲得了廣泛的應(yīng)用。碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。傳統(tǒng)使用中碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨(dú)使用，多作為增強(qiáng)材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料可

12、用作飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機(jī)動(dòng)船、工業(yè)機(jī)器人、汽車板簧和驅(qū)動(dòng)軸等。1994年至2002年左右，隨著從短纖碳纖維到長(zhǎng)纖碳纖維的學(xué)術(shù)研究，使用碳纖維制作發(fā)熱材料的技術(shù)和產(chǎn)品也逐漸進(jìn)入軍用和民用領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有使用長(zhǎng)纖碳纖維制作國(guó)家電網(wǎng)電纜的使用案例多處。同時(shí)，碳纖維發(fā)熱產(chǎn)品，碳纖維采暖產(chǎn)品，碳纖維遠(yuǎn)紅外理療產(chǎn)品也越來(lái)越多的走入尋常百姓家庭。 碳纖維是軍民兩用新材料，屬于技術(shù)密集型和政治敏感的關(guān)鍵材料。以前，以美國(guó)為首的巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)(cocom)， 對(duì)當(dāng)時(shí)的社會(huì)主義國(guó)家實(shí)行禁運(yùn)封鎖政策，1994年3月，cocom雖然已解散，但禁運(yùn)封鎖的陰影仍籠

13、罩在上空，先進(jìn)的碳纖維技術(shù)仍引不進(jìn)來(lái)，特別是高性能pan基原絲技術(shù)，即使中國(guó)進(jìn)入wto，形勢(shì)也不會(huì)發(fā)生大的變化。因此，除了國(guó)人繼續(xù)自力更生發(fā)展碳纖維工業(yè)外，別無(wú)其它選擇。因此，國(guó)外尤其是碳纖維生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)先的日韓等國(guó)對(duì)中國(guó)的碳纖維材料及制品的出口一直保持相當(dāng)謹(jǐn)慎的態(tài)度，只有為數(shù)很少的中國(guó)企業(yè)能夠與其建立合作關(guān)系，擁有其產(chǎn)品的進(jìn)口渠道。碳纖維廣泛用于民用，軍用，建筑，化工，工業(yè)，航天以及石油化工、機(jī)械制造等領(lǐng)域。碳復(fù)合材料的特性主要表現(xiàn)在力學(xué)性能、熱物理性能兩個(gè)個(gè)方面。（1） 密度低（1.7g/cm3左右）在承受高溫的結(jié)構(gòu)中，它是最輕的材料；高溫的強(qiáng)度好，在2200oc時(shí)可保留室溫強(qiáng)度；有較高的斷

14、裂韌性，抗疲勞性和抗蠕變性；而且拉伸強(qiáng)度和彈性模量高于一般的碳素材料，纖維取向明顯影響材料的強(qiáng)度，在受力時(shí)其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)“假塑性效應(yīng)”即在施加載荷初期呈線性關(guān)系，后來(lái)變成雙線性關(guān)系，卸載后再加載，曲線仍為線性并可達(dá)到原來(lái)的載荷水平。精品.（2） 熱膨脹系數(shù)小，比熱容高，能儲(chǔ)存大量的熱能，導(dǎo)熱率低，抗熱沖擊和熱摩擦的性能優(yōu)異。1.1 天然橡膠的概述天然橡膠介紹：天然橡膠是從天然產(chǎn)膠植物中制取的橡膠。市售的天然橡膠主要是由三葉橡膠樹的乳膠制得。天然橡膠是一種以聚異戊二烯為主要成分的天然高分子化合物，分子式是（c5h8）n，其成分中9194是橡膠烴（聚異戊二烯），其余為蛋白質(zhì)、脂肪酸、糖類等非

15、橡膠物質(zhì)。天然橡膠是應(yīng)用最廣的通用橡膠。世界上約有2000種不同的植物可生產(chǎn)類似天然橡膠的聚合物，已從其中500種中得到了不同種類的橡膠，但真正有實(shí)用價(jià)值的是三葉橡膠樹。橡膠樹的表面被割開時(shí)，樹皮內(nèi)的乳管被割斷，膠乳從樹上流出。從橡膠樹上采集的乳膠，經(jīng)過稀釋后加酸凝固、洗滌，然后壓片、干燥、打包，即制得市售的天然橡膠。天然橡膠根據(jù)不同的制膠方法可制成煙片膠、風(fēng)干膠片、縐片膠、技術(shù)分級(jí)橡膠和濃縮橡膠等。 標(biāo)準(zhǔn)橡膠或顆粒膠，是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的天然橡膠新品種。以前，通用的煙片膠、縐片膠、風(fēng)干膠片這幾種傳統(tǒng)產(chǎn)品不論在分級(jí)方法、制造方法上都束縛著天然橡膠的發(fā)展。因此，馬來(lái)西亞于1965年開始實(shí)

16、行標(biāo)準(zhǔn)橡膠計(jì)劃，在使用生膠理化性能分級(jí)的基礎(chǔ)上發(fā)展了顆粒橡膠的生產(chǎn)。標(biāo)準(zhǔn)橡膠是指按機(jī)械雜質(zhì)、塑性保持率、塑性初值、氮含量、灰分含量、顏色指數(shù)等理化性能指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)的橡膠。標(biāo)準(zhǔn)橡膠包裝也比較先進(jìn)，一般用聚乙烯薄膜包裝，并有鮮明的標(biāo)識(shí)，包的重量較小，易于搬動(dòng)。我國(guó)規(guī)定為40kg。標(biāo)準(zhǔn)膠的分級(jí)較為科學(xué)，所以這種分級(jí)方法很快被各主要天然橡膠生產(chǎn)國(guó)以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)所接受，并先后制定了標(biāo)準(zhǔn)膠的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)大體相同，但又不完全一致。例如iso2000規(guī)定分五個(gè)等級(jí)，我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)gb808187，規(guī)定有四個(gè)等級(jí)。天然橡膠的性能：（1）物理常數(shù) 相對(duì)密度0.94（20），折射率1.5222（20），彈性模

17、量24mpa，燃燒值44.1644.80mj/kg,介電常數(shù)2.42.6，比熱容1.882.09kj/(kgk),門尼黏度 90。精品.（2）熱性能 天然橡膠無(wú)一定的熔點(diǎn)。隨著溫度的變化，它有三態(tài)：在130以上為黏流態(tài)；在常溫下具有較高的彈性，稍帶塑性，即為高彈態(tài)；溫度降低則逐漸變硬，低于0時(shí)，逐漸結(jié)晶硬化，繼續(xù)冷至-72時(shí)，則變成脆性物質(zhì)，即為玻璃態(tài)。受冷凍的橡膠加熱至常溫，可恢復(fù)原狀。 生膠拉伸時(shí)放熱，收縮時(shí)吸熱。生膠拉伸70%以上則會(huì)引起結(jié)晶。（3）彈性 天然橡膠具有很好的彈性。在0100的范圍內(nèi)，回彈率可達(dá)70%80%；溫度達(dá)130時(shí)，仍可保持正常的使用性能。（4）機(jī)械強(qiáng)度 天然橡膠是

18、一種結(jié)晶橡膠，自補(bǔ)強(qiáng)性較大，故具有非常好的機(jī)械強(qiáng)度。純硫化膠的拉伸強(qiáng)度為16.728.4mpa，用炭黑補(bǔ)強(qiáng)的硫化膠，可以提高到24.534.4mpa。在高溫（93）下的強(qiáng)度損失為35%左右。天然橡膠的耐屈撓性很好，到出現(xiàn)裂口時(shí)為止可達(dá)20萬(wàn)次以上。（5）透氣性 除含大量填充劑的硫化膠外，一般硫化膠均和生膠具有同等程度的透氣性。（6）電性能 天然橡膠系極性橡膠，電絕緣性優(yōu)良。（7）天然橡膠分子主鏈上有不飽和雙鍵，易于用硫磺硫化體系硫化，但硫化膠不耐老化。高溫下老化速度加快，溫度每升高10老化速度增加一倍。（8）有較好的耐堿性能，但不耐濃強(qiáng)酸。（9）耐油性、耐非極性溶劑性差。一般說(shuō)來(lái)，烴、鹵代烴、

19、二硫化碳、醚、高級(jí)酮和高級(jí)脂肪酸對(duì)天然橡膠均有溶解作用，但其溶解則受塑煉程度的影響。而低級(jí)酮、低級(jí)酯和醇類對(duì)天然橡膠則是非溶劑。1.2 氯丁橡膠的概述 氯丁橡膠介紹氯丁橡膠又稱氯丁二烯橡膠，是氯丁二烯（即2-氯-1,3-丁二烯）為主要原料進(jìn)行-聚合生成的彈性體。它由杜邦公司的華萊士卡羅瑟斯于1930年4月17日首先制得，杜邦于1931年11月公開宣布已經(jīng)發(fā)明氯丁橡膠，并于1937年正式推向市場(chǎng)，使氯丁橡膠成為第一個(gè)實(shí)行工業(yè)化生產(chǎn)的合成橡膠品種氯丁橡膠的物理性能精品.cr由于極性及較高的的結(jié)晶性，使它具有良好的力學(xué)性能和極性橡膠的特點(diǎn)，基本性能如下：（1） 較高的力學(xué)性能拉伸強(qiáng)度較大，與天然橡膠

20、相當(dāng)；長(zhǎng)期使用中耐磨性、耐疲勞性優(yōu)于天然橡膠；其撕裂強(qiáng)度比天然橡膠略差。（2）優(yōu)良的耐熱老化、耐臭氧老化性能cr耐熱老化、耐臭氧老化性能優(yōu)于天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠、丁腈橡膠，次于乙丙橡膠、丁基橡膠。（3）優(yōu)異的阻燃性 cr的阻燃性是通用橡膠中最好的，具有不自燃的特點(diǎn)，接觸火焰可以燃燒，離火便自行熄滅。（4）優(yōu)良的耐油耐溶劑性能（5）良好的粘合性（6） 電絕緣性能一般 只能用于電壓低于600v的低壓場(chǎng)合，常被用作低壓電纜的保護(hù)層及低壓電線絕緣層。（7） 較差的低溫性能 低溫時(shí)橡膠失去彈性，甚至發(fā)生斷裂。最低使用溫度為-30。1.3碳纖維 碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在90%以上，他是利

21、用各種有機(jī)纖維在惰性氣體中、高溫狀態(tài)下碳化而制得。具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能。特別是在2000以上高溫惰性環(huán)境中，是唯一強(qiáng)度不下降的物質(zhì)。碳纖維及其復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱、密度小和熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)異性能。但碳纖維表面較惰性，與基體樹脂粘結(jié)性差，致使制成的碳纖維復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度降低，嚴(yán)重的影響其發(fā)展和應(yīng)用。通常的做法是通過對(duì)纖維的表面進(jìn)行處理提高與其樹脂的結(jié)合力，但是如果結(jié)合力過大會(huì)造成復(fù)合材料過脆易碎。因此，對(duì)纖維進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砜梢杂行У奶岣邚?fù)合材料的性能，表面處理程度過大過小對(duì)最終的復(fù)合材料的性能均有較大的影響。一般情況下，纖維的模量與纖維

22、表面處理的程度成正比。精品.目前各國(guó)工業(yè)用的碳纖維原料有聚丙烯腈纖維、粘膠絲和瀝青纖維三種。按狀態(tài)分為長(zhǎng)絲、短纖維和短切纖維；按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強(qiáng)度為1000兆帕、模量為100gpa左右。高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型（強(qiáng)度2000mpa、模量250gpa）和高模型（模量300gpa以上）。強(qiáng)度大于4000mpa的又稱為超高強(qiáng)型；模量大于450gpa的稱為超高模型。隨著航天和航空工業(yè)的發(fā)展，還出現(xiàn)了高強(qiáng)高伸型碳纖維，其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈pan基碳纖維。聚丙烯腈基碳纖維性能好，炭化得率較高(5060)，因此以聚丙烯腈制造的碳纖維約占總碳纖維產(chǎn)量的95。以粘

23、膠絲為原料制碳纖維炭化得率只有2030，這種碳纖維堿金屬含量低，特別適宜作燒蝕材料。以瀝青纖維為原料時(shí)，炭化得率高達(dá)8090，成本最低，是正在發(fā)展的品種。 圖1.3碳纖維圖片 figure 1.3 carbon fiber pictures1.4 碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維屬于過渡形式碳，其微觀結(jié)構(gòu)基本類似石墨，但層面的排列并不規(guī)整，是亂層石墨結(jié)構(gòu)，層與層之間借范德華力連接在一起。隨著熱處理溫度的升高，碳纖維的結(jié)構(gòu)逐步向多晶石墨轉(zhuǎn)化。微晶是碳纖維微結(jié)構(gòu)的基本單元。構(gòu)成多晶結(jié)構(gòu)的基元是六角形芳環(huán)的層晶格，石墨片層就是由層晶格組成的層平面。原

24、纖以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)存在，它是有帶狀的石墨層片組成的微原纖構(gòu)成的。原纖之間的界面方向錯(cuò)亂復(fù)雜，并且有長(zhǎng)而窄的間隙存在。隨著溫度的升高，原纖沿纖維軸取向排列。溫度越高，張力越大，擇優(yōu)取向角越小，模量越高。層間距也隨溫度的升高而減小，趨近石墨的層間（0.3354nm）。纖維由二維亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維有序的石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。精品. 圖1.4碳纖維微結(jié)構(gòu)figure 1.4 carbon fiber microstructure目前應(yīng)用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。碳纖維的制造包括纖維紡絲、熱穩(wěn)定化（預(yù)氧化）、碳化、石墨化等4個(gè)過程。其間伴隨的化學(xué)變化包括，脫氫、環(huán)化、氧化及脫氧等。碳纖維有如下的

25、優(yōu)良特性： 比重輕、密度小； 超高強(qiáng)力與模量；纖維細(xì)而柔軟； 耐磨、耐疲勞、減振吸能等物理機(jī)械性能優(yōu)異； 耐酸、堿和鹽腐蝕，可形成多孔、表面活性、吸附性強(qiáng)的活性碳纖維； 熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱率高，不出現(xiàn)蓄能和過熱；高溫下尺寸穩(wěn)定性好，不燃，熱分解溫度800，極限氧指數(shù)55； 導(dǎo)電性、x射線透過性及電磁波遮蔽性良好； 具有潤(rùn)滑性，不沾潤(rùn)在熔融金屬中，可使其復(fù)合材料磨損率降低； 生物相容性好，生理適應(yīng)性強(qiáng)。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500mpa以上，是鋼的79倍，抗拉彈性模量為2300043000mpa亦高于鋼。因此cfrp的比強(qiáng)度

26、即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000mpa/(g/cm3)以上，而a3鋼的比強(qiáng)度僅59mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個(gè)意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景，綜觀多種新興的復(fù)合材料(如高分子復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料)的優(yōu)異性能，不少人預(yù)料，人類在材料應(yīng)用上正從鋼鐵時(shí)代進(jìn)入到一個(gè)復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的時(shí)代。精品.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，當(dāng)材料受力時(shí)，會(huì)發(fā)生兩種極端的破壞情況。當(dāng)纖維和樹脂界面粘結(jié)較差時(shí)，纖維被拉出，負(fù)荷不能傳遞，形成剪切破壞，未進(jìn)行表面處理的高模纖維常常是這種類型的破壞，此時(shí)復(fù)合材料的

27、剪切強(qiáng)度與基體的力學(xué)性能無(wú)關(guān)。反之，若纖維和樹脂粘結(jié)良好，此時(shí)基體會(huì)將負(fù)荷傳遞給纖維直至斷裂，形成突然的張力破壞，表面處理過的高強(qiáng)型碳纖維常常是這種破壞，此時(shí)復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度與樹脂基體的力學(xué)性能有關(guān)。實(shí)際上，多數(shù)情況下破壞是介于上述兩種極端情況之間。 1.5.碳纖維復(fù)合材料國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)國(guó)外碳纖維的發(fā)展趨勢(shì) 自從碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)以來(lái)，世界各國(guó)都特別重視其應(yīng)用開發(fā)。 隨著價(jià)格不斷降低， 其應(yīng)用范圍從滿足性能要求高的航空、 航天領(lǐng)域逐步向文體和民用領(lǐng)域推廣。目前， 碳纖維的市場(chǎng)需求在北美、 歐洲、 亞洲基本上呈鼎足之勢(shì)。 按應(yīng)用領(lǐng)域劃分， 世界聚丙烯腈基碳纖維主要用于宇航、 文體休閑用品、其它

28、工業(yè)等領(lǐng)域， 其總體消費(fèi)比例分別為25.2%，31.4%，43.4%，不同地區(qū)各有側(cè)重。由于碳纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、 設(shè)計(jì)性好、 結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好、 抗疲勞斷裂性好和可大面積整體成型， 以及特殊的電磁性能和吸波隱身的特點(diǎn)，目前已大量用于生產(chǎn)軍用、民用飛機(jī)以及戰(zhàn)略導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭上， 需求量穩(wěn)步增長(zhǎng)。文體用品方面， 目前碳纖維材料已從釣魚竿和高爾夫球棒推廣到網(wǎng)球拍、 羽毛球拍、 高爾夫球桿、冰雪運(yùn)動(dòng)器材、水上運(yùn)動(dòng)器材等方面，需求量穩(wěn)步、較快增長(zhǎng)。其中高爾夫球桿、 網(wǎng)球拍和釣魚竿是體育用品用碳纖維復(fù)合材料的三大支柱產(chǎn)品， 約占該類產(chǎn)品的80%。一般產(chǎn)業(yè)對(duì)碳纖維材料的應(yīng)用發(fā)展比較迅速，包括基礎(chǔ)設(shè)施

29、的修復(fù)、更新和加固； 新能源開發(fā)如沿海油氣田、 深海油田的鉆井平臺(tái)、管道和纜繩等，以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的螺旋槳和風(fēng)葉；汽車的剎車系統(tǒng)、 轉(zhuǎn)動(dòng)軸、車身以及環(huán)保汽車用的壓縮天然氣氣瓶；電子領(lǐng)域的應(yīng)用主要有通信、廣播、地球觀測(cè)、空間探測(cè)以及各種飛行器的高精度天線。一般產(chǎn)業(yè)的需求增長(zhǎng)較快，將成為碳纖維新的主要應(yīng)用領(lǐng)域。碳纖維是一種性能優(yōu)越的結(jié)構(gòu)材料， 具有極高的附加值，自商品化以來(lái)，應(yīng)用范圍已從最初的航空航天、 軍事部門逐漸向民用領(lǐng)域滲透，目前已擴(kuò)展到整個(gè)工業(yè)民用的多種領(lǐng)域。隨著應(yīng)用研究的不斷深入， 特別是在民用方面仍將繼續(xù)拓寬應(yīng)用領(lǐng)域， 擴(kuò)大使用量。 國(guó)外預(yù)測(cè)碳纖維除了在航空航天以及體育用品進(jìn)一步應(yīng)用外，

30、近年內(nèi)包括土木建筑、交通運(yùn)輸、汽車、 能源等領(lǐng)域?qū)?huì)大規(guī)模采用工業(yè)級(jí)碳纖維。精品.由此可見，當(dāng)前世界碳纖維有如下發(fā)展趨勢(shì)： 產(chǎn)品性能趨向于高性能化； 價(jià)格將大幅度降低；航天航空和文體用品領(lǐng)域用量穩(wěn)定增加，民用工業(yè)用量增幅較大，已超過前兩者。特別是隨著大絲束碳纖維的大規(guī)模生產(chǎn)，其價(jià)格將不斷降低， 民用工業(yè)用量將繼續(xù)保持大幅度增加的趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)碳纖維的發(fā)展趨勢(shì)盡管我國(guó)碳纖維生產(chǎn)發(fā)展緩慢， 但消費(fèi)量卻與日俱增，市場(chǎng)需求旺盛，主要集中在文體用品和航空航天方面， 一般產(chǎn)業(yè)需求增長(zhǎng)也比較迅速。近年來(lái)，隨著市場(chǎng)需求的增加，特別是國(guó)防、 軍工、航天航空、體育用品方面的需求增加，每年主要依靠從國(guó)外進(jìn)口碳纖維以滿足

31、要求，據(jù)統(tǒng)計(jì)1996-2002年國(guó)內(nèi)碳纖維消費(fèi)年均增長(zhǎng)率超過20%， 目前國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)需求量約為2500t/a，主要依靠進(jìn)口。通過對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求進(jìn)行廣泛深入的調(diào)研發(fā)現(xiàn)， 近幾年體育和休閑用品及壓力容器等領(lǐng)域?qū)μ祭w維的年需求量迅速增長(zhǎng)，從我國(guó)航空航天技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，也急需高性能碳纖維及其復(fù)合材料。綜上所述，國(guó)內(nèi)pan基碳纖維材料加工業(yè)已初具規(guī)模， 有一定的技術(shù)基礎(chǔ)和市場(chǎng)開發(fā)能力，市場(chǎng)需求比較旺盛，但碳纖維的生產(chǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)需求，需大量進(jìn)口。此外，考慮到我國(guó)碳纖維的應(yīng)用還在不斷發(fā)展，許多用途還有待開發(fā)， 如碳纖維在工程修補(bǔ)增強(qiáng)方面、飛機(jī)和汽車剎車片、汽車和其他機(jī)械零部件的應(yīng)用以及電子設(shè)備套殼、集

32、裝箱、 醫(yī)療器械、深?？碧胶托履茉吹拈_發(fā)等方面都將是我國(guó)碳纖維未來(lái)的潛在消費(fèi)市場(chǎng)，對(duì)碳纖維的需求量將更大。因此，未來(lái)我國(guó)碳纖維的市場(chǎng)需求前景廣闊，潛力極大。1.6本論文研究的目的和意義目的：1 研究不同碳纖維用量對(duì)cr/nr并用膠力學(xué)性能的影響意義：碳纖維在nr/cr中的分布是隨機(jī)的，并且相互拱接，形成骨架，碳纖維還具有較高的比模量和比強(qiáng)度，加入碳纖維可以讓nr/cr的硬度增大，力學(xué)性能增強(qiáng)，并提高其拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度。精品.2 實(shí)驗(yàn)部分2.1實(shí)驗(yàn)原料表2.1 試驗(yàn)的主要材料材料廠家天然橡膠（煙片膠）濟(jì)南來(lái)匯化工實(shí)業(yè)有限公司氯丁橡膠青島華潤(rùn)橡塑有限公司氧化鋅濰坊恒豐化工有限公司氧化鎂大連弘開化

33、工有限公司硫磺鄭州安誠(chéng)科技有限公司促進(jìn)劑m青島奧森化工有限公司防老劑d青島奧森化工有限公司硬脂酸衡水宇祥橡膠化工有限公司n220炭黑天津金秋實(shí)化工有限公司2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備表2.2 設(shè)備、儀器的廠家和型號(hào)設(shè)備名稱型號(hào)生產(chǎn)廠商開放式煉膠機(jī)jc-3010江都市金剛機(jī)械廠 電腦型無(wú)轉(zhuǎn)子密閉型硫化儀mdr-2000上海登杰機(jī)器設(shè)備有限公司平板硫化機(jī)jc-3012江都市金剛機(jī)械廠拉伸試驗(yàn)機(jī)jg-4000江都市金剛機(jī)械廠掃描電鏡kyky-em3800北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限公司沖片機(jī)cp-25上海化工機(jī)械四廠精品.2.3實(shí)驗(yàn)配方表2.3 試驗(yàn)配方 配方 nr cr 硬脂酸 zno 碳纖維 cz dm mgo

34、硫磺 炭黑 1 50 50 1 5 0 2 50 50 1 5 0.5 3 50 50 1 5 1 4 50 50 1 5 1.55 50 50 1 5 26 50 50 1 5 2.5 7 50 50 1 5 38 50 50 1 5 4 0.5 0.5 1 2 300.5 0.5 1 2 300.5 0.5 1 2 300.5 0.5 1 2 300.5 0.5 1 2 300.5 0.5 1 2 300.5 0.5 1 2 300.5 0.5 1 2 30精品.2.4 實(shí)驗(yàn)工藝 crnr配合劑雙輥開煉機(jī)塑煉cr/nr共混物混煉cr/nr混煉膠聚合物硫化儀硫化時(shí)間t90平板硫化儀拉伸性能抗

35、撕裂性能 圖2.4 實(shí)驗(yàn)工藝圖精品.2.5碳纖維表面處理 碳纖維(cf) 以其高比強(qiáng)度、耐磨損、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小以及自潤(rùn)滑等優(yōu)異性能成為重要的增強(qiáng)材料之一 。但是由于碳纖維表面呈惰性, 與樹脂基體的相容性差, 限制了其增強(qiáng)作用, 甚至能引起復(fù)合材料自身缺陷, 因此在碳纖維使用時(shí)一般對(duì)其進(jìn)行表面改性。碳纖維表面處理的方法：（1）陽(yáng)極氧化法 陽(yáng)極氧化處理也叫電化學(xué)氧化法。電化學(xué)氧化處理利用了碳纖維的導(dǎo)電性,在電解質(zhì)溶液中,用碳纖維作陽(yáng)極進(jìn)行電解,通過產(chǎn)生的活性氧來(lái)進(jìn)行氧化反應(yīng)而導(dǎo)入極性基團(tuán),從而提高復(fù)合材料的性能。電化學(xué)氧化所使用的電解質(zhì)有硝酸、硫酸、磷酸、醋酸、碳酸銨、氫氧化鈉、硝酸鉀等,而

36、以硝酸最為常見。（2）液相氧化法 碳纖維的液相氧化處理對(duì)改善碳纖維/ 樹脂復(fù)合材料的層間強(qiáng)度很有效。硝酸、酸性高錳酸鉀、酸性重鉻酸鉀、次氯酸鈉、過氧化氫和過硫酸鉀等都可以用于表面處理。液相氧化中用得最多的是硝酸,用硝酸氧化碳纖維可使其表面產(chǎn)生羧基、羥基和酸性基團(tuán),有利于提高纖維與基體材料之間的結(jié)合力。（3）氣相氧化法 氣相氧化法是通過氧化性氣體的部分氧化而改變碳纖維表面,使用的氧化劑為空氣(或含有一定量的o2 、so2 、co2 ) 、臭氧、氧氣等含氧氣體。i. c. finegan 等將碳纖維用空氣或co2適度氧化后,明顯提高了碳纖維表面積與表面能。氣相氧化雖易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化,但它對(duì)纖維拉伸強(qiáng)

37、度的損傷比液相氧化大。另外隨纖維種類的不同(高模量碳纖維、高強(qiáng)度碳纖維) 、處理溫度的不同,氣相氧化處理效果也不盡相同。本實(shí)驗(yàn)采用的是將碳纖維浸泡在65%的硝酸中1小時(shí)，然后用去離子水清洗至中性，在80下烘干，備用。2.6樣品制備2.6.1混煉按照配方設(shè)計(jì)用量，輥溫在室溫下，稱取一定量的nr和cr加到雙輥開煉機(jī)上塑煉，在雙輥開煉機(jī)上塑煉均勻后，按順序加入配合劑?；烊牒?，先打三角包（左右兩端交替壓入），再以0.5mm輥距薄通6次，最后下片。精品.一般加藥品的順序如下（1）最先加入生膠塑煉膠，稍經(jīng)擠壓使其達(dá)到理想包輥后才可加入其它配合劑。（2）首先加入固體軟化劑，以便于進(jìn)一步使膠增加塑性便于操作（

38、3）接著加促進(jìn)劑，防老劑和硬脂酸等小藥。該類小藥用量少，均勻度要求高，故應(yīng)先加入，防老劑的先加入可防高溫出現(xiàn)橡膠老化；硬脂酸是表面活性劑，可以改善親水性配合劑橡膠之間的濕潤(rùn)性。氧化鋅也要求分散的均勻程度高，但其分散性差，所以也應(yīng)先加入。（4）填充補(bǔ)強(qiáng)劑的加入，該類填料的加入，卻要求分散好，本應(yīng)該早先加入如果填充補(bǔ)強(qiáng)劑和軟化劑用量多時(shí)也可采用交替投加的方法。（5）液體軟化劑的加入，由于液體軟化劑且有濕潤(rùn)性，又容易填充補(bǔ)強(qiáng)劑結(jié)團(tuán)但不易使填充補(bǔ)強(qiáng)劑分散均勻，故不宜過早的加入，一般是在填充補(bǔ)強(qiáng)劑之后加入。（6）加入硫化劑，硫磺與促進(jìn)劑應(yīng)該分開加。2.6.2硫化共混膠料冷卻2小時(shí)后，剪取小塊兒膠料進(jìn)行硫

39、化特性測(cè)試，測(cè)得正硫化時(shí)間t90。 硫化歷程圖: 根據(jù)硫化歷程圖的分析，橡膠的硫化歷程可分為四個(gè)階段。即焦燒階段、熱硫化階段、平坦硫化階段和過硫化階段。如圖所示精品. fig2.5.2vulcanization process figure（1）焦燒階段 為圖中ab段是硫化反應(yīng)中的誘導(dǎo)期，稱作焦燒時(shí)間。它的長(zhǎng)短關(guān)系到生產(chǎn)加工安全性,決定于膠料配方成分,主要受促進(jìn)劑的影響。 （2）熱硫化階段 即圖中的bc段，這一階段即是硫化反應(yīng)中的交聯(lián)階段。其中bc段的斜率大小代表硫化反應(yīng)速率的快慢，斜率越大，硫化反應(yīng)速度越快，生產(chǎn)效率越高。 （3）平坦硫化階段 圖中的cd段，這一階段相當(dāng)于硫化反應(yīng)中網(wǎng)構(gòu)形成的

40、前期。這時(shí)交聯(lián)反應(yīng)已基本完成，繼而發(fā)生交聯(lián)鍵的重排、裂解等反應(yīng)，膠料強(qiáng)力曲線出現(xiàn)平坦區(qū)。平坦硫化時(shí)間的長(zhǎng)短取決于膠料配方主要是促進(jìn)劑及防老劑。 （4） 過硫化階段 圖中d以后的部分。這階段中，主要是交聯(lián)鍵發(fā)生重排作用，以及交聯(lián)鍵和鏈段熱裂解的反應(yīng)，因此膠料的抗張性能顯著下降。測(cè)得硫化時(shí)間t90后，將混煉膠放入平板硫化儀，在硫化溫度150下，輸入硫化時(shí)間，壓強(qiáng)為10mpa，進(jìn)行硫化實(shí)驗(yàn)。精品.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析3.1纖維表面形貌分析上圖為濃硫酸處理的碳纖維，從圖中看碳纖維表面比較光滑，由此可知濃硫酸處理碳纖維的表面侵蝕較小。 碳纖維在nr/cr中的分布 精品.3.2碳纖維增強(qiáng)nr/cr的力學(xué)性能的分

41、析3.2.1拉伸性能沖片機(jī)上將并用膠制成如圖所示的啞鈴狀的標(biāo)準(zhǔn)試樣，然后在拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得并記錄拉伸強(qiáng)度，斷裂伸長(zhǎng)率，100%定伸強(qiáng)度，300%定伸強(qiáng)度。 平行長(zhǎng)度 夾頭間距圖3.3.1啞鈴狀試樣的形狀 fig3.3.1dumbbell shape specimen 3.2.2抗撕裂性能橡膠的撕裂是由于材料中的裂紋或裂口受力迅速擴(kuò)大開裂而導(dǎo)致破裂的現(xiàn)象。橡膠的撕裂一般是指沿著分子鏈數(shù)目最少，即阻力最小的途徑發(fā)展。因此裂口的發(fā)展途徑是選擇內(nèi)部結(jié)構(gòu)較弱的線路進(jìn)行的。撕裂強(qiáng)度的真正含義是撕裂能。橡膠撕裂所需要的能量稱為撕裂能，定義為每單位厚度的試樣產(chǎn)生單位裂口所需要的能量。撕裂能包括材料表

42、面能、塑性流動(dòng)耗散的能量以及不可逆粘彈性過程所耗散的能量。撕裂強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度沒有直接的關(guān)系，一般斷裂伸長(zhǎng)率以及粘彈損耗的膠料會(huì)有較高的撕裂強(qiáng)度。褲型撕裂強(qiáng)度：用平行于割口的平面的外力作用于規(guī)定的褲型試樣上，將試樣撕斷所需的力除以試樣厚度。橡膠撕裂強(qiáng)度測(cè)量的試樣種類有褲型試樣、直角形試樣、新月形試樣。通常采用的直角形試樣，其圖如下精品.圖3.3.2 直角形試樣fig 3.3.2 rectangular-shaped specimens撕裂強(qiáng)度計(jì)算公式：tsz=f/d式中：f-試樣撕裂時(shí)的強(qiáng)度 n d-試樣的厚度 tsz-為橡膠的撕裂強(qiáng)度每個(gè)試驗(yàn)樣品至少要五個(gè)樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果以每個(gè)方向試樣的中值和最大

43、值和最小值表示，數(shù)據(jù)精確，數(shù)字精確到整位數(shù)。撕裂強(qiáng)度按gb/t 529-1999進(jìn)行測(cè)試。精品.3.3力學(xué)性能分析表3.4 改性炭黑補(bǔ)強(qiáng)天然膠的力學(xué)性能編號(hào)撕裂強(qiáng)度/（kn/m）拉伸強(qiáng)度/mpa100%定伸強(qiáng)度/mpa300%定伸強(qiáng)度/mpa斷裂伸長(zhǎng)率/%邵氏硬度a永久變形/%023.9717.910.651.451927.18426128.7718.850.741.701838.7448232.0220.340.831.861825.75459332.0620.680.761.741847.544510433.0921.290.711.621867.844610532.8419.550.72

44、1.641840.8545.59631.1520.020.631.541874.3142.57727.8919.530.661.571822.51437827.0318.370.671.491793.38415精品.3.4數(shù)據(jù)分析 由圖3.4.1可以看出，隨著碳纖維的增加，撕裂強(qiáng)度增加，當(dāng)碳纖維含量大于等于2份時(shí)，撕裂強(qiáng)度趨于緩慢。當(dāng)碳纖維含量等于四份時(shí)撕裂強(qiáng)度到達(dá)最高值。 圖3.4.1碳纖維含量對(duì)nr/cr復(fù)合材料撕裂強(qiáng)度的影響 精品. 圖3.4.2可以看出拉伸強(qiáng)度隨著碳纖維的份數(shù)增加增強(qiáng)，當(dāng)碳纖維加到4份時(shí)拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大。 圖3.4.2 碳纖維含量對(duì)nr/cr復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、100%定伸強(qiáng)度、300%定伸強(qiáng)度的影響 精品.圖3.4.3可看出來(lái)隨著碳纖維的增加斷裂伸長(zhǎng)率沒有明顯的規(guī)律。圖