高性能T800碳纤维复合材料树脂基体

在分析T800碳纤维表面上胶剂的基础上,系统研究了适用于制备高性能T800碳纤维复合材料的树脂基体,测试了树脂浇注体及其复合材料的力学性能和热机械性能,研究了树脂基体对T800碳纤维复合材料界面性能的影响。结果表明,T800碳纤维表面上胶剂中酯基含量较高,与缩水甘油酯类环氧树脂有良好的界面相容性,经复配和优化的树脂体系其T800碳纤维复合材料的层间剪切强度达到138 MPa,NOL环拉伸强度达到2530MPa,玻璃化温度(Tg)达到213℃,具有优异的界面性能和耐热性能。

纺丝工艺对T800碳纤维及其复合材料性能的影响

采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱仪(XPS)和表面接触角测量仪分别对湿法纺丝(T800HB)与干喷湿纺(T800SC)两种纺丝工艺制备的T800碳纤维表面状态进行表征和分析,采用万能材料试验机对二者的复丝、NOL环及单向板的力学性能进行对比研究。结果表明:湿法纺丝的T800HB碳纤维具有更粗糙的表面,而干喷湿纺T800SC碳纤维具有更高的表面活性,“化学活性”和“机械啮合”的共同作用使得两种碳纤维复合材料具有相近的层间剪切强度。但当复合材料发生破坏时,T800HB碳纤维与树脂间“机械啮合”的主导作用更显著,纤维/树脂结合更紧密,使得其复合材料的断裂呈脆性破坏模式,而T800SC碳纤维与树脂结合则稍弱,呈一定程度的韧性破坏模式。T800SC碳纤维比T800HB碳纤维具有更高的复丝拉伸强度,因而相应地,T800SC碳纤维复合材料NOL环和单向板均有更高的拉伸强度。因此,综合两种不同纺丝工艺碳纤维及其复合材料的力学性能和破坏形貌,相比于T800HB,T800SC碳纤维更适合作为缠绕成型复合材料的增强材料。

T800碳纤维复合材料界面吸湿性能分析

本文研究了不同类型的树脂基体对T800碳纤维复合材料界面性能的影响,对比不同树脂体系的T800碳纤维复合材料于95℃蒸馏水中的吸湿特性,分析复合材料经吸湿后的动态热机械性能的变化。结果表明,以改性芳香胺为固化体系的树脂基体制备的T800碳纤维复合材料具有优良的界面性能。TDE85树脂/改性芳香胺体系的T800碳纤维复合材料干态层间剪切强度达到122MPa。95℃蒸馏水浸泡后,该复合材料的平衡吸湿率低于普通芳香胺固化体系,且玻璃化转变活化能变化幅度也较小。

国产T800碳纤维用氰酸酯树脂开发及其复合材料性能

基于飞行器减重对耐高温结构复合材料的应用背景,为了拓展国产T800碳纤维增强氰酸酯复合材料体系的应用,通过对国产T800碳纤维表面上浆剂的分析,开展适于国产T800碳纤维的氰酸酯树脂基体配方设计,研究国产T800碳纤维/氰酸酯复合材料的力学性能和耐热性能,分析树脂基体对复合材料界面性能的影响。结果表明:国产T800碳纤维表面上浆剂中含有环氧基团。配方优化后的氰酸酯树脂与国产T800碳纤维复合后,复合材料的室温-湿态力学性能保持率大于74.8%,200℃力学性能保持率大于57%,玻璃化转变温度为226℃,具有优异的热机械性能和界面性能。

湿法缠绕用T800碳纤维复合材料基体研究

针对T800碳纤维和湿法缠绕的特点,开发了一种适合T800碳纤维湿法缠绕用的树脂基体,测试了该树脂基体与T800碳纤维制成复合材料的力学性能和耐湿热性能。结果表明,该树脂体系的粘度和适用期可满足湿法缠绕成型工艺要求,制备的T-800碳纤维复合材料界面粘接好,层间剪切强度达到101 MPa,NOL环拉伸强度高于2500MPa;单向复合材料经95℃蒸馏水浸泡150h后的平衡吸湿率低于1%、力学性能保留率高,耐湿热性能优良。

T800碳纤维增强复合材料加筋壁板压缩稳定性试验及工程计算方法验证

国内对T800碳纤维复合材料结构的研究刚刚起步,需要对其加筋壁板的稳定性进行系统地研究。通过改变蒙皮厚度、筋条间距、筋条几何参数等设计8种构型的试验件,进行压缩稳定性试验;考虑侧边边界条件及蒙皮有效宽度的影响,对两种常用的压缩屈曲载荷工程计算方法进行验证。结果表明:在相同筋条面积下,筋条惯性矩提高屈曲载荷增大,加筋壁板的破坏载荷主要取决于壁板的横截面积;蒙皮厚度和筋条间距对屈曲载荷的影响大于对破坏载荷的影响;对于薄蒙皮,当侧边简支且蒙皮有效宽度b=D-b2/2时,计算值与试验值最为接近;对于厚蒙皮,当侧边简支且蒙皮有效宽度b=D时,计算值与试验值最为接近。

T800碳纤维在复合材料压力容器上的应用研究

介绍了T800碳纤维在复合材料压力容器上的研究现状,并针对T800SC-24K碳纤维预浸带性能进行了研究。结果表明,碳纤维预浸带拉伸强度损伤<5%;同时采用T800SC-24K干法预浸带进行了标准φ480和φ1 000 mm压力容器成型,并对其爆破性能进行了表征,复合材料容器特性系数>41 km,纤维发挥强度>4 480 MPa。

加工参数对T800碳纤维增强复合材料铣削质量的影响

增大层厚和增加牺牲层加工工序,是控制大型航空碳纤维复合材料构件形变和装配精度的重要手段,然而如何对其牺牲层进行大余量高效铣削的同时确保无撕裂分层损伤面临挑战。表面柔软的玻璃纤维保护层和内部坚硬的碳纤维复合材料牺牲层因二者的材料性能差异较大,在铣削加工过程中很难同时确保二者均无毛边和分层。为此以某大型航空构件使用的T800碳纤维增强复合材料侧面铣削为例,开展了加工参数对材料铣削质量的影响试验研究,通过分别对硬质合金玉米铣刀、金刚石涂层铣刀、碳纤维专用复合铣刀和双刃聚晶金刚石铣刀4种不同结构形式刀具的铣削力、铣削温度以及加工表面粗糙度进行试验研究,分析了不同加工参数对表面加工质量的影响。试验结果表明:加工表面毛边高度随主轴转速的增加有减小的趋势,随进给速度和径向切深的增加有增大的趋势;较高的铣削温度会引起不同方向的纤维断裂位置发生偏移,导致加工表面粗糙度增大;采用锋利的刃形和多微刃铣削方式,在确保内部碳纤维增强复合材料加工质量的前提下,能够显著改善加工表面的毛边现象,使用左右旋微刃结构的刀具可以使铣削过程更加稳定。

加捻对T800碳纤维拉伸性能的影响

通过对日本东丽T700、T800碳纤维复丝拉伸性能的表征主要研究了加捻对T800碳纤维拉伸性能的影响。研究结果表明:采用浸胶后加捻的方式有助于改善T800碳纤维的拉伸性能,合适的捻度可使其拉伸强度提高5%,断裂延伸率提高10%。并通过对T800碳纤维干纱加捻的研究基本确定了T800碳纤维的临界捻度为15 n/m。

T800碳纤维增强树脂基单向复合材料动态力学性能测试研究

使用霍普金森压杆(SHPB)装置对国产T800碳纤维增强环氧树脂基单向复合材料的动态压缩性能进行测试,根据样品内应力均匀和恒应变率加载要求,优选了整形器尺寸和样品尺寸,并对复合材料的动态压缩性能和失效方式进行了初步探索。结果表明,通过控制退火态紫铜整形器直径和撞击杆入射速度,可以获得具有不同上升沿斜率的加载波,厚度为0.5mm、直径为8mm的紫铜整形器可以获得理想的入射波;厚度为7mm、直径为12mm的圆柱型样品可实现动态压缩过程中的恒应变率加载;在动态压缩条件下,碳纤维增强环氧树脂单向复合材料具有显著的应变硬化和应变率强化效应,其断裂形式包括纤维/基体脱粘、纤维拔出断裂、复合材料整体剪切断裂、基体解理开裂和基体分层剪切断裂等5种混合断裂形式。

T800碳纤维复合材料低速冲击渐进损伤仿真与试验研究

利用有限元软件ABAQUS建立冲击渐进损伤模型,对国产T800碳纤维/环氧树脂基复合材料的低速冲击损伤进行了数值模拟;同时对复合材料进行低速冲击试验,通过分析不同冲击能量与凹坑深度和损伤形貌的关系研究了层合板的冲击损伤特性.结果表明:在模拟仿真过程中,复合材料冲击时的应力分布像花生状的椭圆形,同时基体的拉伸和压缩损伤大于纤维的拉伸和压缩损伤.在试验中随着冲击能量增大,凹坑深度在35 J左右出现拐点,拐点之前凹坑深度增加缓慢,冲击表面主要是无损伤和几乎不可见的冲击损伤,内部损伤形貌近似圆形;拐点后凹坑深度急剧增加,试样内部损伤形貌逐渐趋于椭圆形,并沿45°铺层方向呈锥形扩展;在65 J时达到穿透性损伤.模拟得到的凹坑深度与试验结果吻合较好,为分析T800碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板受低速冲击后的损伤演化和规律提供了一种有效的方法.

湿热环境对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料力学性能的影响

对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料进行湿热老化实验,通过质量变化、老化前后表面形貌、红外光谱、动态力学性能,层间剪切和压缩实验,研究3.5%(质量分数,下同)NaCl溶液和去离子水两种介质分别在70℃下溶液浸泡对碳纤维/环氧树脂基复合材料力学性能的影响。结果表明:T800碳纤维/环氧树脂基复合材料在去离子水和3.5%NaCl溶液中的吸湿率相对较低,分别为0.82%和0.67%;未老化试样纤维与基体之间黏结良好,在3.5%NaCl溶液老化后纤维与基体界面破坏相比去离子水中老化更严重;经去离子水中浸泡后剪切强度降低8.8%,压缩强度降低4.3%;在3.5%NaCl中浸泡后剪切强度降低10.1%,压缩强度降低4.7%。在两种溶液老化后试样的T g降低,但相差不大。此次研究结果对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料在腐蚀环境中的应用提供了依据。

缠绕工艺关键参数对T800碳纤维复合材料壳体强度的影响

纤维缠绕工艺是影响固体火箭发动机复合材料壳体强度的重要因素,缠绕工艺参数对不同复合材料制备的壳体强度影响不同。基于网格理论,使用LS_DYNA进行不同缠绕工艺参数下的壳体强度仿真,开展水压爆破实验,从而研究不同缠绕工艺参数对国产T800碳纤维复合材料缠绕壳体及东丽T800碳纤维复合材料壳体强度的影响,并进行对比分析。结果表明,对于国产T800碳纤维缠绕壳体和东丽T800碳纤维缠绕壳体,[90,±29,90]类型的铺层顺序下壳体破坏区域所受的应力较[±29,90,90]类型的铺层顺序更小;8 mm纱带宽度可以减少纱带间的搭接,提高壳体成型强度。[90,±29,90]的铺层顺序和8 mm的纱带宽度对于国产T800碳纤维复合材料壳体强度发挥更为有利,同时验证了国产T800碳纤维缠绕壳体强度能够满足设计要求。所得纤维缠绕工艺关键参数及结论,可为国产T800碳纤维壳体的设计应用提供借鉴。

不同热氧环境对T800碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响

不同热氧环境(70,130,190℃)对碳纤维复合材料的性能有着重要的影响。分析了不同热氧环境下T800碳纤维/环氧树脂复合材料的失重特性,并对比了老化前后的表面形貌、红外光谱、动态力学性能和层间剪切性能。结果表明:在热氧老化初始阶段,质损率急速上升,老化温度越高质量损失越快;试样表面形貌随热氧温度的升高其破坏程度逐渐加剧,在190℃老化后,纤维表面树脂脱落严重,纤维与纤维之间出现裂缝空隙,无树脂填充,在此老化温度下,试样发生了不可逆化学变化;试样的玻璃化转变温度会随老化温度的升高而变大,但内耗呈现先降低后增大再降低的趋势,在70,130,190℃热氧老化后试样剪切强度分别提高6.0%,13.7%和2.1%。相关实验结果和实验现象可为后续研究新型国产T800碳纤维/环氧复合材料提供数据参考。

海水环境下老化周期对T800碳纤维/环氧树脂复合材料的影响

研究T800碳纤维/环氧树脂基复合材料在海水环境中进行湿热腐蚀老化,将制备好的试件放置在人工制备70℃,3.5%NaCl溶液中腐蚀30,60,90 d,通过质量变化、老化前后表面形貌、红外光谱、动态力学性能、压缩实验和层间剪切实验分析材料的力学性能变化。结果表明:T800碳纤维/环氧树脂复合材料在3.5%NaCl溶液中吸湿率分别为0.39%,0.47%,0.53%;未老化试样纤维与基体之间黏结良好,在3.5%NaCl溶液老化后纤维与基体界面破坏随时间的增加老化更加严重;玻璃化转变温度T_(g)下降,分别在老化30,60,90 d后从189.16℃下降到177.54,171.88,168.06℃;经3.5%NaCl溶液老化后,老化30,60,90 d试样的最大破坏载荷分别降低3.2%,8.4%,15.3%,压缩强度分别降低3.0%,8.2%,15.9%;层间剪切最大破坏载荷分别降低3.0%,9.2%,14.9%,剪切强度分别降低3.0%,9.7%,16.4%。

T800碳纤维/环氧复合材料老化性能研究

在自然环境中使用的复合材料受环境因素影响,性能会出现不同程度的下降,本文利用"时温等效"原理,加速复合材料老化进程,对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料及其内部缺陷在湿热老化条件下的性能影响进行研究,分析了复合材料及其内部分层缺陷在湿热老化条件下的微观形貌变化及对力学性能的影响。结果表明:T800碳纤维/环氧树脂内部无分层缺陷的复合材料在90℃和30%RH湿热老化条件下弯曲强度出现先升后降;存在内部分层缺陷的复合材料在同等老化条件下,缺陷处加速了水分子的侵蚀作用,弯曲强度降低了12%,降幅明显高于无缺陷复合材料。

首条T800碳纤维生产线投运

江苏航科复合材料科技有限公司（简称航科）2012年7月20日表示,其T800碳纤维生产线从原丝到技术均为自主研发,而且包括稳定性在内的各项产品性能指标完全可以与日本东丽公司同类产品媲美。现在,生产线的开工负荷已提升到90%,5个月来累计产出成品500 kg,合格率达到90%以上。

我国首个T800碳纤维项目投产

2017年9月29日，我国首条千吨级R00碳纤维10号生产线在连云港开发区中复神鹰碳纤维有限公司正式投产运行，标志着我国高端碳纤维产业化实现新突破。中复神鹰T800碳纤维10号线是目前国内最先进的碳纤维生产线，生产能力为1kt／a，在全线自动化程度、绿色环保生产、废气治理等方面均达到国内领先水平，产品性能指标赶超国外同类产品水平，可完全替代进口，实现我国T800碳纤维产品自给自足。

江苏航科等T800碳纤维列入科技重大专项

江苏航科复合材料科技有限公司和航天海鹰（镇江）特种材料有限公司联合申报的大型民用客机关键零部件用T800级碳纤维的研发及其产业化项目，被列入国家战略性新兴产业发展重大专项。

江苏航科公司建成T800碳纤维生产线

江苏航科复合材料科技有限公司2012年6月底建成我国首条T800碳纤维产业化线，并取得一系列自主知识产权创新成果，打破了国外厂商的技术垄断。