【摘 要】
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碳纤维增强树脂基复合材料（carbon fiber reinforced polymeric composites,简称CFRP）具有重量轻,强度高,耐摩擦等一系列优点,在汽车和航空航天结构材料的轻量化领域具有不可估量的应用价值,但仍然存在成本高、界面性能差、易发生脆性断裂、难于回收等问题,使CFRP的应用受到很大的局限。如何降低CFRP成本、优化界面性能、提高断裂韧性、实现回收再利用一直是该领域
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碳纤维增强树脂基复合材料（carbon fiber reinforced polymeric composites,简称CFRP）具有重量轻,强度高,耐摩擦等一系列优点,在汽车和航空航天结构材料的轻量化领域具有不可估量的应用价值,但仍然存在成本高、界面性能差、易发生脆性断裂、难于回收等问题,使CFRP的应用受到很大的局限。如何降低CFRP成本、优化界面性能、提高断裂韧性、实现回收再利用一直是该领域亟待解决的关键问题。自增强复合材料（self-reinforced composites或者all-polymer composites,简称SRC）具有成本低、界面性能优异、抗冲击性好、易于回收等优异特性,被广泛应用与防护用品、运动器材和旅行箱等日常用品领域,但较低的强度与模量严重限制了着SRC的应用。因此,本文提出采用叠层热压工艺,使用连续碳纤维（carbon fiber,简称CF）,聚酰胺纤维（polyamide fiber,简称PF）和聚酰胺共聚物（polyamide copolymer,简称coPA）制备了连续碳纤维与聚酰胺自增强复合材料协同增强体系（CF-PF/coPA）,即在碳纤维增强聚酰胺复合材料（CF/coPA）的基础上引入界面性能优异且韧性好的聚酰胺自增强复合材料（PF/coPA）,获得了这种能够同时提供高强度,高模量和高断裂韧性的混杂复合材料协同增强体系。本论文主要围绕协同增强体系的制备工艺参数和在无人机螺旋桨上进行仿真应用的技术问题开展了如下研究:（1）碳纤维表面处理方法及加工工艺参数研究通过扫描电子显微镜,红外光谱,单纤维拉伸测试表征了不同表面处理工艺的碳纤维。研究发现,碳纤维经过不同表面处理工艺处理后,表面极性官能团数量显著增加,表面粗糙度明显提高,这极大增加了碳纤维的表面积。最优的处理方式是过氧化氢与超声波联合氧化处理30 min。通过纵向拉伸测试,探究了聚酰胺自增强复合材料制备的实验参数,得到了聚酰胺自增强复合材料制备的最优热压成型温度和热压压强。（2）CF-PF/coPA复合材料结构设计优化通过纵向拉伸测试,三点弯曲测试和动态热机械测试研究了不同铺层方式和铺层角度CF-PF（10:10）/coPA复合材料的力学性能,得到了最优的铺层方式为PF/CF/CF/PF,最优铺层角度需根据不同实际应用要求来选择。采用0o/90o拉伸测试,扫描电子显微镜,三点弯曲测试和动态机热械性能测试研究了不同纤维体积分数CF-PF/coPA复合材料的纵向/横向拉伸力学性能,弯曲性能和热机械性能的变化趋势。最终对比得出CF-PF（10:10）/coPA复合材料综合性能最优。采用了纤维直径更小的PF进行实验,通过纵向拉伸测试和三点弯曲测试对比研究了CF20/coPA,CF-PF（10:10）/coPA与CF-NPF（10:10）/coPA复合材料的拉伸和弯曲性能。结果表明,直径更小的PF更有利于改善混杂复合材料的拉伸性能,弯曲性能,提高纤维增强效率。（3）无人机螺旋桨仿真应用验证通过Solid Works 2016对无人机螺旋桨进行建模,使用Fluent进行仿真研究。结果表明,在标准大气压下,无人机螺旋桨转速为3000 rpm的条件下,该混杂复合材料完全符合无人机螺旋桨使用要求。
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