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碳纤维增强热塑性复合材料在汽车行业的大量应用,碳纤维与基体之间的界面问题依然是值得探讨的热门话题。本文选取高性能碳纤维增强聚丙烯(polypropylene,简称:PP)复合材料,其中碳纤维来源于国内外三家著名公司:J公司、D公司和Z公司三家供应商的碳纤维。含原浆碳纤维和热水退浆后(分别经过热水退浆工艺处理)碳纤维以连续纤维直接喂入注塑成型一步法(Direct Fiber Feeding injection Molding,简称:DFFIM)工艺增强PP注塑成六类20%质量分数的碳纤维复合材料。通过测定不同温度和拉伸速度下的拉伸性能,应用扫描电子显微镜观察拉伸断裂横截面形态,评定热水退浆工艺对碳纤维与PP界面的改善程度,并分析来源(碳纤维供应商)、拉伸速度和温度梯度对拉伸性能的影响。同时,通过三点弯曲试验,悬臂梁缺口冲击试验评定碳纤维复合材料的弯曲性能和冲击性能,并综合评定三家公司碳纤维复合材料的力学性能差异。最后,判定时温等效原理是否适用于此次力学试验,以杨氏模量和拉伸强度数据为基础,分别拟合J、D、Z公司样品在25℃下的疲劳寿命。通过上述实验,可得到以下结论:1 DFFIM成型的Z公司碳纤维增强PP复合材料拉伸强度最高,D公司样品次之,J公司样品偏低,Z公司碳纤维复合材料的拉伸强度比最低的J公司样品提高20%左右,热水退浆后Z公司碳纤维复合材料强度也会提高10%左右。2 DFFIM成型的J、D公司碳纤维增强PP复合材料杨氏模量相近,都为3.5GPa,高于Z公司样品的2.5GPa,高40%。3以拉伸强度数据为基础,采用时温等效原理拟合疲劳寿命,发现D公司样品疲劳寿命最长,Z公司样品次之,J公司样品最低,D公司原始碳纤复合材料疲劳寿命为24年,退浆后疲劳寿命下降,说明原上浆剂匹配PP树脂基体,退浆后导致寿命下降。4由于不同类型碳纤维复合材料初始模量不一致,根据主机厂安全系数,采用储存模量下降到60%初始模量时间消耗为标准,拟合出D公司样品疲劳寿命最长,J公司样品次之,Z公司样品最低,D公司下降40%模量时间损耗是其它两个公司的两倍,极大地延长杨氏模量下降,材料刚度变化缓慢,增加材料的使用寿命。5 SEM电镜图看出,碳纤维上浆剂与PP不匹配时,碳纤维与基体之间间隙过大,拉伸断裂时容易抽拔出来降低其力学性能。热水退浆后碳纤维流动性增强,更加均匀分布在PP基体中,减小碳纤维和PP基体之间的间隙,显著提高力学性能。6 DFFIM成型的D公司碳纤维增强PP复合材料弯曲强度最高,J公司样品次之,Z公司样品最低,具体表现为D公司比J公司高12.6%,比Z公司高达16.8%;同时Z公司样品冲击强度最高,D公司样品次之,J公司样品最低,具体表现为Z公司比D公司高69%,比J公司高114%。7总体来看,J公司碳纤维质量较差,上浆剂与热塑性树脂基体不匹配;D公司碳纤维质量良好,上浆剂与热塑性树脂基体匹配,综合力学性能比较突出;Z公司碳纤维质量良好,上浆剂与热塑性树脂基体不匹配。热水退浆工艺对力学性能较低的材料系统(J、Z公司)改善明显,而对D公司之类性能较高的材料系统,改善效果不是特别明显,说明D公司原有浆料对PP有相当的相容性,可有效改善界面结合性能,而J、Z公司原有浆料有待改进。