中间相沥青基碳纤维表面特性和界面粘结性能

针对高模量、高热导率中间相沥青基碳纤维复合材料界面性能弱等瓶颈问题,深入研究该类纤维表面特性及其与树脂的界面粘结性能。选取3种典型中间相沥青基碳纤维,测试分析其微观形貌、表面能和极性与色散分量、表面元素种类与含量,利用微脱黏方法表征中间相沥青基碳纤维与环氧树脂的界面剪切强度。研究结果表明:中间相沥青基碳纤维表面均存在明显沟槽结构,但其呈化学惰性,选用的中间相沥青基碳纤维与环氧树脂界面剪切强度最高约为50 MPa,明显低于聚丙烯腈基碳纤维;纤维表面能越高,尤其是极性分量越高,中间相沥青基碳纤维/环氧树脂界面剪切强度越大,这些结果揭示了中间相沥青基碳纤维与树脂基体界面性能主控因素。

超低温用碳纤维增强树脂基复合材料的性能研究

根据低温液氧贮箱的缠绕工艺与特殊使用环境要求,分别针对3种自制的环氧树脂体系进行系统的工艺特性与低温抗裂纹性能研究。在此基础上以T700纤维复合材料为研究对象,详细考察其在超低温和高低温循环条件下的力学性能稳定性,并对其液氧相容性进行测试。最终以小型碳纤维复合材料筒体进行综合性能验证。研究结果表明,SFC-3环氧树脂具有较好的缠绕工艺特性,且在超低温和高低温交变条件下具有优异的抗裂纹特性。T700/SFC-3环氧复合材料分别经过高低温交变和超低温处理后,拉伸性能保留率在92%以上,且该复合材料具有良好的液氧相容性。T700/SFC-3环氧树脂复合材料筒体具有极好的耐高低温稳定性和气密性。

热压罐始加压预浸料用高温树脂体系的制备与性能研究

本文设计合成了一种噁唑烷酮环结构高温韧性环氧树脂(OXEP),采用化学流变剂调节和OXEP改性四官能团环氧树脂,制备符合热压罐始加压成型工艺的热熔法专用树脂体系。研究了OXEP含量对树脂体系拉伸性能、韧性和耐热性的影响,利用热压罐始加压成型工艺制备碳纤维复合材料,并与常规热压罐工艺复合材料力学性能进行对比。结果表明:化学流变剂反应120 min可达到始加压工艺要求;OXEP的加入可有效改善固化树脂的力学性能,加入OXEP改性环氧32 phr时,改性树脂的拉伸强度和冲击强度相对于未改性树脂分别提升了29%和73%,断裂韧性提高了3.3倍;改性树脂试样断裂面微观形貌较为粗糙,且有较深的沟壑,断裂耗散的能量较多,增韧效果明显;热压罐始加压热熔法复合材料力学性能优于常规热压罐工艺,复合材料0°拉伸强度和层间剪切强度提升明显,分别提高了34.5%和38.6%。

碳纳米管无溶剂纳米流体对环氧树脂力学性能及阻尼性能的影响

为降低多壁碳纳米管(MWNTs)在树脂基体中的团聚程度,提高树脂基体的机械性能,以酸化多壁碳纳米管为核,接枝颈状层硅烷偶联剂(KH560)和冠状层聚醚胺(M2070),得到碳纳米管无溶剂纳米流体(MWNTs-C-M2070)。采用傅里叶红外光谱、流变分析和透射电子显微镜对其结构进行表征。结果表明,颈状层和冠状层成功接枝于碳纳米管表面,在测试范围内其损耗模量始终大于储能模量,说明其液体特征。以合成的MWNTs-CM2070作为改性剂加入环氧树脂基体中,研究其力学性能及阻尼性能。结果表明:当MWNTs-C-M2070加入量为2%~4%(质量分数)时,树脂基体的力学性能和阻尼性能都能得到良好的改善。与传统碳纳米管填料相比,MWNTs-C-M2070无需超声辅助即可在树脂及溶剂中实现稳定的分散,在复合材料的工业生产中有较大应用价值。

取向碳纳米管膜/氰基树脂复合材料的制备与性能强化机制

以浮动催化化学气相沉积法(FCCVD)碳纳米管(CNT)膜为原料,通过氰基树脂溶液浸渍法制备CNT预浸膜,然后采用热辅助牵伸和热压固化的方法制备高取向CNT膜复合材料。详细分析了热处理的温度和树脂溶液浓度对CNT预浸膜拉伸性能的影响,从而得到合适的热辅助牵伸工艺,并考察固化工艺对复合材料性能的影响。在此基础上,从浸润特性、CNT取向程度和层间剪切性能方面揭示CNT膜复合材料力学性能的强化机制。结果表明与传统CNT膜牵伸工艺相比,CNT预浸膜热牵伸工艺更有利于制备高取向CNT膜复合材料。热牵伸的温度和树脂溶液的浓度是制备高取向、低孔隙CNT预浸膜的关键因素。通过固化工艺的改变可有效调控氰基树脂的反应程度碳纳米管薄膜/氰基树脂复合材料的拉伸性能。经高温后固化处理后,CNT膜/氰基树脂复合材料的拉伸强度和模量分别高达2 748 MPa和302GPa。优异的树脂浸润特性、层间剪切强度以及高的CNT取向度使CNT膜复合材料中CNT更有利于协同承载,从而提高其力学性能。

浮动催化CVD法CNTs膜及CNTs膜/环氧复合材料拉伸特性

针对浮动催化化学气相沉积(CVD)法制备的碳纳米管(CNTs)膜,首先采用红外光谱表征分析了包覆在CNTs表面的无定形物质的组成,然后分别采用热处理和酸洗处理方法,考察了CNTs膜中无定形物和残留Fe催化剂对CNTs膜拉伸取向行为的影响。结果表明:采用CVD法制备的CNTs膜中CNTs表面无定形物为含氧或烷烃、烯烃类低聚物,可通过350℃有氧热处理基本去除。该CNTs膜的牵伸取向重排行为受组成影响显著,CNTs表面的低聚物可增强CNTs的管间黏结作用,Fe催化剂颗粒成为CNTs网络结构的交联结点,两者均有利于提高CNTs的取向程度和聚并成束的尺寸,进而提高CNTs膜的拉伸稳定性和断裂韧性。牵伸取向后CNTs膜与环氧树脂溶液的浸润性提高,其CNTs膜/环氧复合材料的拉伸强度和模量达到1 228 MPa和94.5GPa,相比初始无规CNTs膜/环氧复合材料的分别提高了337%和729%。

多壁巴基纸／环氧复合材料拉伸性能的影响因素

采用抽滤法制备了多壁碳纳米管(MWCNTs)纸(又称巴基纸),研究了巴基纸增强不同环氧基体复合材料(巴基纸复合材料)的拉伸性能及其断口形貌,分析了MWCNT含量、树脂基体拉伸性能以及巴基纸与树脂的界面黏附作用对复合材料拉伸性能的影响。结果表明:在MWCNT质量分数小于39.1%范围内,增加碳纳米管含量,可显著提高巴基纸/环氧复合材料的拉伸性能;巴基纸/环氧复合材料的拉伸强度和模量与树脂基体的性能密切相关,其拉伸破坏形式受基体的脆韧性影响显著;相比较而言,巴基纸与树脂间的黏附功对巴基纸/环氧复合材料拉伸性能的影响不明显。

基于原位电热和酸化的碳纳米管薄膜纯化工艺研究

利用原位电热和酸化的综合处理方法对浮动催化化学气相沉积法制备的碳纳米管薄膜进行纯化处理,对碳纳米管薄膜进行了电导率、微观形貌、热重、电热和拉曼等分析,研究了原位电热纯化时间对薄膜电学性能和纯化效果的影响。结果表明,随着原位电热时间的延长,薄膜电学性能逐渐得到提升;经过原位电热处理10 min和盐酸酸化处理后,薄膜方块电阻降低了61.8%,电导率提升了160.7%。微观形貌分析和热重分析结果显示,碳纳米管薄膜内的无定形碳和金属催化剂颗粒杂质有效减少,薄膜得到了有效纯化。拉曼分析结果显示,经过原位电热和酸化综合处理,碳纳米管薄膜内产生了少量的缺陷。