熱固性碳纖維復(fù)合材料是當(dāng)下性能較為完善且應(yīng)用較為廣泛的纖維增強(qiáng)體復(fù)合材料，但它的脆性較大、抗沖擊性較弱，因此經(jīng)常被詬病。隨后部分科研人員將目光轉(zhuǎn)向熱塑性樹(shù)脂上面，但早期的熱塑性樹(shù)脂的性能還不如熱固性的環(huán)氧樹(shù)脂等，直到20世紀(jì)80年代，高性能熱塑性樹(shù)脂相繼出現(xiàn)，美國(guó)航天局發(fā)起了關(guān)于高性能熱塑性復(fù)合材料的早期研究，但進(jìn)展緩慢。
　　
 
　　隨著時(shí)間的推移，高性能熱塑性樹(shù)脂經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，初具規(guī)模。在現(xiàn)有的熱塑性樹(shù)脂中，聚芳醚酮類(lèi)（PEKK、PEEK等）、聚苯硫醚（PPS）這些新型樹(shù)脂相繼出現(xiàn)，這些熱塑性樹(shù)脂具備優(yōu)良的力學(xué)性能（高抗拉強(qiáng)度、高彈性模量），同時(shí)具備較好的韌性和熱穩(wěn)定性，還具有不錯(cuò)的化學(xué)惰性，與碳纖維相結(jié)合后，可以形成綜合性能更好的熱塑性碳纖維復(fù)合材料。該類(lèi)型復(fù)合材料不僅在航空航天領(lǐng)域備受青睞，而且在工業(yè)發(fā)展中不斷輻射到其他領(lǐng)域和行業(yè)。
　　
 
　　環(huán)境因素對(duì)熱塑性碳纖維復(fù)合材料具有天然的破壞性
　　
　　自然環(huán)境中存在不少干擾因素，如風(fēng)、水、光照、氧氣等，這些因素會(huì)對(duì)所有身處其中的物體造成一定的干擾和破壞作用，熱塑性碳纖維復(fù)合材料自然也無(wú)法幸免。自然環(huán)境中，太陽(yáng)光照對(duì)于熱塑性碳纖維復(fù)合材料的影響一直存在，但是關(guān)于這方面的研究卻并不算多。通過(guò)前人對(duì)此的研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)光長(zhǎng)時(shí)間照射，可以對(duì)熱塑性碳纖維復(fù)合材料造成熱降解和光降解。
 
　　熱降解主要是高溫導(dǎo)致樹(shù)脂軟化，影響復(fù)合材料穩(wěn)定的外在形態(tài)，破壞物理結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了性能大幅下降。而光降解主要是紫外線部分引起，紫外線會(huì)對(duì)熱塑性碳纖維復(fù)合材料帶來(lái)極大的負(fù)面影響，如氧化、鏈斷裂和交聯(lián)等。鏈斷裂打破原有的分子鏈狀態(tài)，影響物理結(jié)構(gòu)和性能，而交聯(lián)會(huì)限制分子的遷移率，導(dǎo)致復(fù)合材料脆性增大。
 
 
　　有國(guó)外科研團(tuán)隊(duì)，就太陽(yáng)中紫外線對(duì)熱塑性復(fù)合材料機(jī)械性能的影響做了一些深入的研究和測(cè)試，測(cè)試中以碳纖維聚苯硫醚（CF/PPS）復(fù)合材料層壓板為基礎(chǔ)，長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行紫外線照射實(shí)驗(yàn)，再通過(guò)接觸角測(cè)角儀、差示掃描量熱法（DSC）、動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA）和拉伸實(shí)驗(yàn)這4種方式，對(duì)該不同照射時(shí)長(zhǎng)的CF/PPS層壓板進(jìn)行多方位的數(shù)據(jù)測(cè)算，以求獲取更完整精確的結(jié)果。
 
　　紫外線對(duì)碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚復(fù)合材料機(jī)械性能的影響
　　
 
　　1、接觸角測(cè)角儀測(cè)試：使用光學(xué)接觸角測(cè)角儀測(cè)量參考樣品和紫外暴露樣品的接觸角，小接觸角(u<<90°)表示親水條件。作為參考以未被紫外線照射的CF/PPS層壓板為參考，它的接觸角為86~90°。在紫外線照射120、240、360和480小時(shí)的CF/PPS層壓板的接觸角分別為為66.6°、65°、51°和44.7°。接觸角值的降低表明，紫外線被復(fù)合材料中的PPS聚合物吸收，導(dǎo)致了CF/PPS復(fù)合材料表面潤(rùn)濕性的增加，顯示出復(fù)合材料有高吸濕和降解反應(yīng)。
　　
 
　　2、差示掃描量熱法（DSC）測(cè)試：采用DSC分析參考樣品和紫外暴露樣品的結(jié)晶度，結(jié)晶度對(duì)聚合物的性能起著至關(guān)重要的作用，結(jié)晶度（%）較高的復(fù)合材料具有更好的拉伸強(qiáng)度和彈性模量。研究發(fā)現(xiàn)未被紫外線照射的CF/PPS層壓板的結(jié)晶度在30~34%之間，而從DSC掃描來(lái)看，CF/PPS層壓板在經(jīng)過(guò)120、240、360和480小時(shí)的紫外線照射下，結(jié)晶度分別是35.8%、39.3%、42.9%和37.7%，結(jié)晶度呈現(xiàn)上升又回落的變化，但紫外線照射后的結(jié)晶度均高于未經(jīng)紫外線照射前的結(jié)晶度，這是紫外線為結(jié)晶過(guò)程提供了更多的能量。
 
　　
　　3、動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA）測(cè)試：根據(jù)ASTMD7028標(biāo)準(zhǔn)，采用DMA分析CF/PPS層壓板的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。未經(jīng)紫外線照射的CF/PPS層壓板的Tg值為89.32℃，120小時(shí)和240小時(shí)的紫外線照射略微增加了CF/PPS層壓板的Tg，分為為92.11℃和92.66℃。分析原因可能是結(jié)晶度的增加，分子結(jié)構(gòu)變得更加有序，并限制了半晶態(tài)聚合物中的非晶態(tài)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)。而在360小時(shí)和480小時(shí)紫外線照射下，Tg值大幅降低，分別為84.04℃和91.94℃，低于未經(jīng)紫外線照射的CF/PPS層壓板的Tg值。Tg值的下降是因?yàn)閺?fù)合材料中分子量的降低導(dǎo)致，而紫外線長(zhǎng)時(shí)間照射，會(huì)導(dǎo)致鏈斷裂機(jī)制出現(xiàn)，這才是CF/PPS層壓板出現(xiàn)光降解的根本原因。
　　
 
　　4、拉伸試驗(yàn)測(cè)試：采用拉伸試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，觀察受紫外線照射的試樣的拉伸性能的變化。經(jīng)過(guò)測(cè)試對(duì)比，未經(jīng)紫外線照射的CF/PPS層壓板在0°方向的抗拉強(qiáng)度為580.06MPa，而經(jīng)過(guò)120、240、360和480小時(shí)紫外線照射的CF/PPS層壓板在0°方向的抗拉強(qiáng)度分別為644.26MPa、703.05MPa、654.23MPa和604.013MPa。結(jié)果顯示，結(jié)晶度隨著紫外線照射時(shí)間的增加而增加，同時(shí)也提高了材料的抗拉強(qiáng)度，但較長(zhǎng)時(shí)間的紫外線照射，會(huì)導(dǎo)致鏈?zhǔn)綌嗔逊磻?yīng)的光氧化降解比結(jié)晶度的影響更明顯，從而導(dǎo)致強(qiáng)度的陡然降低。
　　
 
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)論顯示，長(zhǎng)時(shí)間的紫外線照射會(huì)對(duì)熱塑性碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能帶來(lái)較大的影響，短時(shí)間內(nèi)可能有正向影響，但是長(zhǎng)時(shí)間狀態(tài)下，更多的是負(fù)面影響。這種影響其實(shí)不僅僅處于性能層面，更會(huì)影響熱塑性碳纖維復(fù)合材料的制備和應(yīng)用。熱塑性碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)制備具有極高的技術(shù)門(mén)檻，需要極強(qiáng)的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，目前國(guó)內(nèi)能夠從事連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制備的企業(yè)屈指可數(shù)。智上新材料作為其中其中的一員，深知其中的不易，希望隨著國(guó)內(nèi)碳纖維技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展能夠越來(lái)越好。