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摘要

CF-PLA生物降解材料的制备及其性能研究

摘要

Carbonfiberpolylacticacid

随着航空航天领域的不断发展，碳纤维聚乳酸复合材料（

compositematerial，CF-PLA）的应用越来越广泛。为应对复杂飞行环境，飞行器外壳对

CF-PLA复合材料力学性能的要求也越来越高。其中，碳纤维在聚乳酸内的排列方向影

CF-PLA3DCF-PLA

响着复合材料的力学性能。因此，采用打印拉丝工艺将复合材料

制备成微细直径的CF-PLA纤维，使CF-PLA复合材料内部的短切碳纤维呈现定向排列，

进而增强CF-PLA复合材料的力学性能，并将制备得到的CF-PLA纤维应用到层压板中。

在不增加层压板质量和体积的情况下，提高层压板的力学性能。CF-PLA复合材料作为

一种生物降解材料，探究其土埋降解特性和热降解特性，具有一定的研究意义。因此，

本文以CF-PLA复合材料为研究对象，采用理论分析、ANSYS数值模拟、力学实验与

降解实验验证相结合的方法，对CF-PLA纤维3D打印拉丝工艺参数进行研究。通过力

学实验测量CF-PLA纤维和CF-PLA纤维增强层压板的力学性能，利用ANSYS有限元

软件分析CF-PLA纤维增强层压板内部的应力分布情况。分析土埋降解对CF-PLA复合

材料力学性能的影响，并对CF-PLA复合材料的分子量及组分含量进行分析。退火处理

是材料常见的处理方式，进而研究热降解中退火处理温度对CF-PLA复合材料的热行为

和热降解行为的影响。

首先，通过对短切碳纤维的增强机理和取向程度进行阐述，分析层压板的强度理论

和应力-应变关系。制备实验所需的材料，确定实验所需设备。采用扫描电子显微镜、

电子万能试验机、超景深显微镜、差示扫描量热仪、热重分析仪和凝胶渗透色谱仪等设

备分别对CF-PLA纤维和CF-PLA纤维增强层压板进行表征及性能测试。

其次，确定CF-PLA纤维的3D打印拉丝工艺流程，主要包括常规打印、回抽和拉

丝打印三个阶段。直径为Φ135μm的CF-PLA纤维制备工艺参数为：喷嘴回抽速率为5

mm/s，喷嘴移动速率为40mm/s。通过力学试验，系统的研究3D打印拉丝工艺参数（喷

嘴温度、喷嘴直径和短切碳纤维含量）对CF-PLA纤维力学性能的影响，确定出较好的

工艺参数为：喷嘴温度为200℃，喷嘴直径为Φ0.4mm，短切碳纤维含量为15%。

然后，将CF-PLA纤维应用到层压板中，以提高层压板的力学性能。研究CF-PLA

纤维体积分数对层压板力学性能（拉伸性能、弯曲性能和冲击性能）的影响。获得最佳

CF-PLA纤维体积分数为8%，CF-PLA纤维增强层压板的力学性能参数为：拉伸强度为

53Mpa，杨氏模量为4821MPa，弯曲强度为341Mpa，弯曲模量为26GPa，冲击吸能

为11.32J/cm2。由仿真分析结果可得CF-PLA纤维增强层压板内部的CF-PLA纤维受到

的应力大于CF-PLA复合材料的应力，且CF-PLA纤维上应力分布较为均匀，说明

CF-PLA纤维率先承受应力，因此CF-PLA纤维对层压板具有显著增强作用。

II

东北石油大学硕士研究生学位论文

最后，研究CF-PLA复合材料的土埋降解特性和热降解特性。经过60天的土埋降

CF-PLA10.35%GPC

解，复合材料的质量损失显著增加，其质量损失量为。曲线只发生

了微量的平移，PLA分子量没有发生显著的下降。CF-PLA复合材料的拉伸强度下降幅

度大于纯P