Ⅳ型高压储氢气瓶用碳纤维复合材料界面表征与分析

Ⅳ型高压储氢气瓶的结构载荷主要由外层碳纤维复合材料(CFRP)承载。良好的碳纤维(CF)与环氧树脂(EP)界面性能有助于载荷传递,使CF强度发挥至最大化,提高压力容器的安全性能,另外可以减少CFRP用量,降低成本,从而打破高昂价格带来的应用局限。通过扫描电镜、原子力显微镜、X射线电子能谱仪、动态接触角、微脱黏测试仪及万能试验机对CFRP界面进行了系统的表征与分析。通过分析CF的表面形态、化学成分、润湿性、表面能及界面结合力,揭示了CFRP力学性能与界面性能的相关性。研究表明,CF表面利于形成机械互锁的表面粗糙度、利于化学键结合的含氧活性官能团、利于润湿的极性组分表面能等因素可以增强其与EP的界面结合,最大程度发挥CF的力学性能,使高压容器承载复合材料具有稳定的力学性能。

热压罐/真空辅助组合工艺成型复合材料及其质量评价

综合分析热压罐工艺和真空辅助成型(VARI)工艺的优缺点,并对两种成型工艺进行优势整合,开发出新型的热压罐/VARI组合工艺;对该新型工艺成型质量包括纤维体积分数及其厚度等进行评价,并与VARI成型对比。结果显示,热压罐/VARI组合工艺制件纤维体积分数可达60%以上,并且树脂固化前的保压时间越长,纤维体积含量越大,直至纤维体积分数到达一定数值。

纺织结构碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料的制备及界面改性

采用热压成型法制备纺织结构碳纤维增强聚醚醚酮(CFF/PEEK)航空热塑性复合材料。通过对碳纤维(CF)进行去浆、活化,及采用磺化聚醚醚酮(SPEEK)进行表面涂层,显著提高了CFF/PEEK复合材料的层间剪切强度。讨论了热压温度、压力等工艺参数对材料综合力学性能的影响规律,确定优化工艺条件,制备的复合材料拉伸强度和弯曲强度分别达到714.29 MPa和955.84 MPa。借助扫描、金相显微镜等观察手段,发现经过界面改性处理后,复合材料断裂发生在基体内部而非界面处,基体与增强体浸润性和结合性良好。

纺织结构碳纤维增强尼龙6(CFF/PA6)复合材料的模压成型工艺

采用模压方法制备纺织结构碳纤维增强尼龙6（CFF／PA6）复合材料，研究了不同成型工艺下制备的复合材料的结构与力学性能。基于对PA6树脂基体的DSC分析，以及对不同温度下制备的复合材料进行外观形貌对比，确定最佳成型温度为250℃；调节模压成型压力，制备一系列CFF／PA6复合材料，并借助以下表征手段对复合材料结构与性能进行评价：采用静力学实验测试CFF／PA6的拉伸、弯曲和冲击强度，分析强度与韧性随成型压力的变化规律；采用密度法对CFF／PA6复合材料进行孔隙率测试，考察CFF／PA6复合材料模压成型压力对孔隙率的影响；借助扫描电子显微镜观察CFF／PA6复合材料的断面形貌。基于实验结果，最终确定CFF／PA6复合材料的模压成型压力为2．5—3MPa。在该条件下制备的CFF／PA6复合材料，冲击强度、弯曲强度和拉伸强度分别为67kJ／m^2、603．94MPa和321．82MPa。

连接件对碳纤维复合材料汽车传动轴振动性能的影响

利用脉冲激振实验技术和有限元分析方法,分别从实验和有限元计算的角度研究了不同的连接件重量和结构对碳纤维复合材料传动轴自由状态下的固有频率的影响。结果表明:具有不同重量和不同结构的连接件的碳纤维复合材料传动轴的固有频率具有很大差异,随着重量的增加,固有频率降低;当连接结构变化时还会引起传动轴振型的变化。另外,传动轴固有频率的有限元分析结果与实测结果误差在5%以内,仿真模型分析有效。在保证连接件性能的前提下,传动轴连接件轻量化和结构优化是有效提高复合材料传动轴固有频率的重要途径。

不同内径碳纤维复合材料轴管的振动性能研究

利用脉冲激振实验技术和有限元分析方法,分别采用实验和有限元计算两种方法研究了轴管内径对碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)轴管自由状态下的振动性能的影响。结果表明:随着CFRP轴管内径的增加,其固有频率值增大,当轴管内径从50 mm增加到70 mm时,固有频率增加了39.13%,仿真和实测固有频率结果基本一致,仿真模型可靠。不同内径CFRP轴管在自由状态条件下第一阶振动都发生了弯曲振动,振动时1/4和3/4处不变形而中间和两端变形较大。随着CFRP轴管内径增加,振动衰减系数逐渐减小,衰减系数下降速率逐渐变缓。轴管内径引起阻尼性能的变化对轴管自由状态振幅衰减有较大影响,但是对固有频率影响较小。

基于氧化石墨烯修饰活化碳纤维的聚醚醚酮基复合材料

碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料是重要的航空热塑性复合材料,其弱点是碳纤维(CF)与基体界面结合性差,导致层间剪切强度(ILSS)较低。文中将氧化石墨烯/聚醚酮酮(GO/PEKK)混合上浆剂涂覆于活化CF表面,制备了纤维-基体界面修饰的具有高ILSS的CF/PEEK复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱和热重分析分别对表面修饰剂及其改性CF的微观形貌与结构进行表征,采用静力学测试、动态力学分析和SEM等对复合材料断裂行为进行评价与分析。结果表明,当GO质量分数不超过0.5%时,在PEKK中分散良好;由于界面修饰剂的氢键作用,CF/PEEK复合材料的弯曲强度、模量和ILSS均大幅提高,断裂形式从纤维-基体脱粘转变为基体变形及断裂,表明基体与增强体的相互作用增强。

基于碳纤维表面修饰制备碳纤维织物增强聚苯硫醚(CFF/PPS)热塑性复合材料

碳纤维织物增强聚苯硫醚(CFF/PPS)复合材料是重要的热塑性航空复合材料,其难点为提高碳纤维(CF)与基体的浸润性及界面强度。探讨了CF表面修饰对CFF/PPS界面结合强度的影响,对比了热处理去浆及三种表面修饰剂对碳纤维单丝及CFF/PPS复合材料的改性效果。采用X射线光电子能谱分析(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、单丝强度测试、复合材料静力学测试和动态力学分析等手段对CF表面修饰效果进行评价,建立了基于CF表面修饰制备高性能CFF/PPS热塑性航空复合材料的方法。制备的复合材料层间剪切强度达91.4MPa,弯曲强度953.7MPa,拉伸强度797.4MPa,模量68.4GPa,冲击强度58.3kJ/m2,用SEM观察到CF表面包覆大量PPS树脂。

PMI泡沫对碳纤维复合材料抗低速冲击性能的影响

采用落锤冲击试验开展了PMI泡沫对碳纤维复合材料抗低速冲击性能的影响研究。对厚度为5mm的碳纤维复合材料层合板、PMI泡沫(厚为3mm)夹芯碳纤维复合材料(上下蒙皮各为2.5mm)试件分别用5J、10J、20J、40J能量进行低速落锤冲击实验。实验结果表明,泡沫夹芯碳纤维复合材料的吸能效果好于碳纤维复合材料层合板。随着冲击能量的提高,两者的冲击吸能效果差距越来越小,但夹芯板的冲击损伤情况好于层合板,同时碳纤维复合材料层合板的吸收/冲击能量比的值逐渐增大,而泡沫夹芯碳纤维复合材料的逐渐减小,但在40J及其以下的冲击能量下,夹芯板的吸收/冲击能量比都高于层合板。

风冷和导热板对CF/PPS复合材料自感应焊接的影响

随着热塑性复合材料在飞机上的用量日趋增多,感应焊接作为未来热塑性结构件连接技术的最重要发展方向而倍受重视。感应焊接技术目前存在的主要问题在于焊接过程中最高温度面难以锁定于焊接面,而常位于更靠近线圈的表面附近。本文针对连续碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)层合板,研究了空气喷嘴和陶瓷导热板对于CF/PPS复合材料感应焊接过程的影响规律。结果表明,空气喷嘴和导热板的使用均可以有效地降低焊接过程中层合板上表面的温度,避免靠近线圈的上表面树脂在焊接过程中发生高温熔融或降解,从而保证CF/PPS自感应接头的外观完整性。此外,本文研究了单向预浸料制备的CF/PPS层合板进行自感应焊接的可行性。结果表明,由0°和90°交替铺层的CF/PPS层合板由于内部存在交流导电回路,可在低频高功率条件下实现自感应焊接。

碳纤维复合材料汽车传动轴材料结构及性能一体化设计

为促进碳纤维复合材料在汽车零部件轻量化设计中的应用,同时解决碳纤维复合材料传动轴优化设计过程中铺层缠绕工艺约束不易添加的问题,提出一种适用于碳纤维复合材料汽车传动轴的材料结构性能一体化设计方法。在ABAQUS软件中建立复合材料单胞和传动轴的有限元模型,运用基于热应力法的均匀化理论预测微观单胞的弹性性能;通过Python编程实现微宏观参数化建模及性能参数的传递,采用改进的多目标粒子群算法进行优化求解。算例结果表明:使用一体化设计方法得到的复合材料传动轴满足扭转刚度及模态性能要求,且有铺层缠绕工艺约束的复合材料传动轴相比原钢制传动轴质量减轻了22.8%,实现了轻量化目的,可为车身其他零部件的轻量化设计提供指导。

干纤维铺放真空辅助成型复合材料的性能

模拟干纤维铺放原理,将连续热塑性纤维作为定型材料铺放在碳纤维无皱褶织物中间,在热压条件下制备复合材料预成型体,并采用真空辅助工艺制备复合材料试样。测定了采用不同预成型压力、预成型温度以及热塑性纤维含量等预成型条件下制备的复合材料试样的纤维体积含量、力学性能以及微观结构等。结果表明,预成型压力越大,纤维体积含量越高,当预成型压力达到1 MPa以后,纤维体积含量趋于稳定,最高可达65%;在相同预成型压力下,随着定型材料用量的增加,纤维体积含量降低,力学性能随之降低;预成型温度对复合材料的性能影响主要取决于定型材料本身是否发生熔融,若发生熔融,定型材料会对复合材料性能产生不利影响。

风电叶片用碳纤维复合材料大梁制备工艺及性能

通过对比三种不同工艺制成的碳纤维复合材料大梁的各项力学性能,探究风电叶片碳纤维复合材料大梁的最佳制备工艺。结果表明:拉挤工艺制作的碳纤维复合材料大梁,在拉伸、弯曲、层间剪切、压缩性能方面呈现最优的效果,并且保持了较高的纤维体积含量。

不同工艺参数和界面改性对碳纤维增强聚苯硫醚复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的影响

本文研究了不同工艺参数(温度、压力、降温速率)和界面改性对碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)航空热塑性复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的影响。试验发现较高成型温度(340℃)、较快降温速率(32℃/min)和经过界面改性的CF/PPS复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性(G_(IC))更高。这是因为较高的温度有利于聚苯硫醚(PPS)分子链发生缠结;较快的降温速率抑制了PPS结晶,使基体韧性更好。利用课题组自制的上浆剂对碳纤维(CF)进行改性,发现经过界面改性的CF/PPS复合材料界面相互作用加强,强界面性能有利于应力和能量传递,因此G_(IC)值较未改性的CF/PPS复合材料更高。成型压力对CF/PPS复合材料的G_(IC)影响不明显,较高的成型压力反而会导致树脂对纤维的浸渍减弱,大量树脂从模具边缘间隙溢出,不利于复合材料韧性的提高。

碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)航空复合材料的结晶行为及力学性能

通过非等温结晶方法研究了基于碳纤维表面修饰的连续碳纤维增强聚苯硫醚(Carbon fiber reinforced polyphenylene sulfide,CF/PPS)复合材料的结晶行为,并对不同降温速率结晶的复合材料样品进行弯曲和冲击等力学性能测试,探讨了CF/PPS复合材料加工条件与结晶特性以及宏观性能之间的联系。研究表明,在降温速率为10K/min^70K/min,CF/PPS的结晶峰温度与起始结晶温度均随着降温速率的增大而降低;其球晶生长速率和结晶速率也随之增大,但结晶度随着降温速率的增大而减小;PPS的晶核数量随着降温速率的增大而增多,平均球晶尺寸随之减小。当降温速率从10K/min增大至70K/min时,复合材料的弯曲强度从719.2MPa降低至689.4MPa,下降了4%;弯曲模量从70.0GPa降至63.5GPa,降低了9%;缺口冲击强度却随之增强,从62.0kJ/m^2提高至72.3kJ/m^2,提高了15%。

热膨胀工艺制备不同厚度泡沫夹芯复合材料的低速冲击性能

热膨胀工艺能够一体化成型各种泡沫夹芯复合材料。选择初始厚度为1 mm的可膨胀环氧泡沫预浸胶,通过控制模具型腔尺寸以控制不同成型压力制备4种不同厚度的泡沫夹芯板。以10 J和42 J冲击能量研究热膨胀工艺和芯材厚度对泡沫夹芯复合材料低速冲击性能的影响。通过ABAQUS有限元分析、超声C扫描对比试验数据分析了不同试样的损伤模式。通过冲击后压缩试验分析了不同试样的损伤容限。结果发现更高膨胀倍率的泡沫芯子,产生更低的膨胀力,泡沫夹芯板的抗冲击强度降低,但结构具有更优异的吸能效果。高能量和低强度的泡沫芯子都会导致蒙皮更高的损伤程度。试样在10 J能量冲击后的压缩强度衰减率为8.2%,而42 J能量冲击后的压缩强度衰减率达到38.2%。成型压力和芯子的厚度对泡沫夹芯板的损伤容限影响很小。研究确定了热膨胀工艺成型泡沫夹芯复合材料具有高的结构和抗冲击性能可设计性。

Ⅳ型储氢气瓶承载层CFRP基体优选与性能研究

以SW树脂及HY4006树脂为基体树脂,以12K T700碳纤维(HY-1、HY-2、HY-3)为纤维增强体,制备Ⅳ型储氢气瓶承载层用碳纤维增强复合材料(CFRP),从固化特性、耐热性能、流变性能和树脂浇注体的力学性能等方面筛选适合的树脂基体,通过树脂对纤维的浸润性及CFRP的力学性能、微观形貌、孔隙率等筛选出最优的CFRP体系。结果表明:SW树脂的固化温度为109~142℃,固化速率快,固化时间短,黏度增长较慢,而且其浇注体力学性能好,比HY4006树脂更适合于Ⅳ型储氢气瓶的缠绕工艺;SW树脂对HY-2碳纤维的浸润性更好,起始接触角为80.06°,浸润时间仅2.5 s;由SW树脂与HY-2碳纤维制备的CFRP拉伸强度为2650 MPa,剪切强度为64.63 MPa,密度为1.67 g/cm 3,纤维体积分数为63.61%,该CFRP界面结合好,孔隙率低,力学性能优异,是Ⅳ型储氢气瓶缠绕层的理想材料。

介入医疗用复合中空纤维管的结构设计与制备

采用金属编织物增强的复合中空纤维管,具有良好的抗挤压、抗塌陷、推送性能和扭控性能,被应用于微创伤介入医疗导管中。重点研究了金属网结构的引入对中空纤维的扭控性的影响,探索了金属丝的强度、形状、编织层数以及编织密度与增强中空纤维扭控性能的关系,为介入医疗器械产品开发提供技术指导。在此基础上建立了金属网增强的复合中空纤维生产设备,研发了一系列金属网增强中空纤维导管产品,已成功应用于微创伤介入医疗器械中。

PANI/CNT/CMF复合泡沫的制备及其光热蒸发性能研究

利用前驱体三聚氰胺泡沫(MF)与高光热转换性能的碳纳米管(CNT)和聚苯胺(PANI)通过直接碳化法,将MF转变成碳泡沫(CMF),并成功构建具备多孔结构的PANI/CNT/CMF蒸发器。由于非晶碳、CNT和PANI具有高光热转换性能,多孔结构可增强光吸收和提供充足的水份,以及蒸发器的结构设计降低了热损失,PANI/CNT/CMF蒸发器在一个太阳光辐照下具有优异的海水蒸发效率,以及稳定性和耐盐性。

缠绕成型混杂纤维复合材料静态拉伸性能研究

研究了T700碳纤维/玻璃纤维、T700碳纤维/玄武岩纤维不同纤维配比混杂材料的层合板拉伸性能。结果表明,混杂纤维层合板的拉伸性能随着碳纤维含量提高而提高;高断裂位移的纤维可以提高混杂纤维复合材料的断裂伸长率。复合材料模量混杂公式得到的理论值与实际测量值比较接近;加入玻璃纤维或玄武岩纤维可以提高复合材料的韧性,同时节省成本。