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碳纤维增强聚苯硫醚复合材料界面性能
的研究进展

摘要：碳纤维-热塑性树脂基复合材料（CFRTP）因其质量轻、强度高、成型
周期短、耐冲击性能好、可循环使用等特点，正逐步成为下一代CFRTP的发展趋
势。其中，聚苯硫醚（PPS）因其吸湿性小、热稳定性好、结晶性好、抗溶剂性
强等特点，成为CFRTP的首选树脂基质。上个世纪末，我国的湾流G650型商用
客机的机尾已经被采用。近年来，波音、空客等公司纷纷将CF/PPS复合材料用
于副机翼肋、方向舵前缘、升降舵辅翼肋等次级承载结构，但目前对其力学性能

的认识还不够深入。然而，碳纤维（CF）具有较高的碳含量及较高的表面惰性，
使其与PPS之间的相容性较差，为此，本项目拟对CF/PPS进行界面改性，以改

善其相容性。

关键词：碳纤维；聚苯硫醚；复合材料

1碳纤维增强PPS复合材料的研究意义

CFRTP由于其质量轻、强度高、成型周期短、可循环使用等优点，已逐渐成
为下一代CFRTP的发展方向。其中，碳纤维/聚苯硫醚（CF/PPS）因其优异的热
稳定性能和优良的环境耐候性能，在航空、航天等领域得到了广泛的应用。但是，

PPS对碳纤维的浸渗作用不足，使其力学性能不高，严重制约了其实际应用。因
此，如何对碳纤维/聚苯硫醚（CF)/聚苯硫醚（PPS）复合材料进行界面设计，以

增强其界面粘接性能，是当前迫切需要解决的问题。

2碳纤维增强热塑塑料复合材料

目前，CFRP在航空航天、工业、交通运输和国防等方面有着广泛的应用。但
是，随着研究的深入，其对生态系统的危害越来越大。另外，CFRTS材料也有一
些不足之处，如冲击韧性差，局部损伤修复困难，制备周期长等。近年来，随着
国家和民众越来越关注生态环境问题，在应用复合材料时，已不能仅以其性能指
标为参照标准，还必须与可持续发展相适应，因此，各国迫切需要一种既能满足
传统结构要求，又能最大限度降低环境污染的新型复合材料。碳纤维再生材料只
需加热和熔化，就能达到循环使用的目的，减少了对生态环境的污染；此外，碳

纤维增强塑料还具有较高的冲击韧性和较好的环境耐候性能。因此，CFRTP在学
术界和产业界都受到了极大的关注。它的特点是高强度，无毒，阻燃，尺寸稳定。
近年来，碳纤维增强聚碳酸酯在体育方面得到了广泛的应用，如滑板和登山杖。
结果表明，短切炭纤维的掺入量与炭纤维的掺入量呈正相关。研究发现，短切碳
纤维加入量越多，其抗拉强度越高，弹性模量越大。结果表明，在短切碳纤维质

量分数为7.5%的情况下，可获得52.68MPa的峰值，5.41GPa的峰值。

3成形过程对复合材料及其界面性质的影响

由于聚苯硫醚具有很高的熔点和很高的粘度，所以它的成形温度要求高于

300℃，成形压力要求高于1.0MPa。表1列出了一些有代表性的模制过程参数，
以T300纤维为原料，以交联型聚苯硫醚为原料，对其进行热压成膜。当成型温
度为315℃~345℃、1MPa~2MPa、15min~45min时，层间剪切强度为
38MPa~48.5MPa，层间剪切强度为330℃、1.0MPa、30min时。采用悬浮法在日本
东丽公司T300—300CF上涂覆了PPS树脂粉，在320℃，2.8MPa环境中保持20
分钟，制得了剪切强度约为86MPa的单向复合材料层板。电子显微镜观察表明，
聚苯硫醚与炭纤维界面结合良好。在碳纤维的熔化过程中，环氧浆料发生了裂解，

残余物对碳纤维与碳纤维之间的界面结合产生了影响。以国产T300碳纤维布为
原料，以PPS膜为基材，在300℃-330℃、0.15-0.3MPa、5分钟-15分钟的热压
下，将PPS膜与国产碳纤维布进行叠层，获得了层剪强度为30-40MPa的复合层
板。结果表明，随着热压温度的升高及保压时间的增加，对纤维的渗透均有促进
作用，但同时也造成了树脂的交联，导致了界面性质的改善，降低了纤维的拉伸

强度。

表1中列出了一些有代表性的模塑过程参数

纤维成型温成型压力热压时层间剪切强度
型号度/℃/MPa间/min/MPa

东丽315~341~215~4538~48.5

T3005

东丽3202.82086

T300

国产300~330.15~0.35~1530~40

T3000

本文对固体加工后的PPS及熔体与碳纤维之间的界面特性进行了研究。CF采
用日本东丽公司的M400、T300，采用丙酮回流法、热处理法等对原有的浆料进行
脱色。采用熔融法时，先用氯化萘溶液对聚苯硫醚进行浸泡，再将其置于370℃

的空气中进行2小时的预处理。固体法是将PPS粉体置于270℃的大气环境中，
以氯化萘为溶剂，浸泡于炭素表面。采用浸没碳纤维的单向铺层工艺，通过模具

成型，获得了复合材料层板。结果表明，熔体剪