大丝束碳纤维的上浆工艺及其性能研究

采用低黏度的水性聚酰亚胺(PAAs)类上浆剂对聚丙烯腈(PAN)基大丝束碳纤维进行浸渍处理,得到上浆碳纤维,研究了上浆剂浓度与浸渍时间对上浆碳纤维可加工性能的影响,并分析了上浆碳纤维的表面及断面形貌、表面元素及活性基团变化。结果表明:大丝束碳纤维的上浆率主要受上浆剂浓度的影响,上浆过程基本在30~60 s内完成;相比未上浆的碳纤维,上浆碳纤维的毛丝量大幅减少,悬垂值随上浆率增大而增大,耐磨次数随上浆率的增大呈现先增后减的变化趋势;在上浆剂PAAs质量分数为0.3%~0.5%、浸渍时间为60 s时,上浆碳纤维的上浆率为1.19%~1.52%,可加工性能好;在上浆剂PAAs质量分数为0.5%、浸渍时间为60 s时,上浆碳纤维表面光滑,表面氮、氧元素含量增加,并引入了PAAs的极性基团。

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。

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。

干法纺丝制备二硼化锆陶瓷纤维及其表征

二硼化锆是一种很具潜力的超高温陶瓷材料。通过干法纺丝手段可以得到具有一定优良性能的二硼化锆纤维:以二硼化锆陶瓷制备中的液相前驱体转化技术为依据,采用八水合氧氯化锆、硼酸、蔗糖和柠檬酸为原料,并利用聚乙烯醇为纺丝助剂,制得二硼化锆前驱体纺丝液,然后利用干法纺丝制得前驱体纤维,通过高温烧结制得二硼化锆陶瓷纤维。仪器分析结果如下:通过同步热分析仪(TG-DSC)分析前驱体纤维在100℃~1400℃的失重情况,发现二硼化锆纤维在1200℃左右生成;采用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱分析(XPS),发现陶瓷纤维中二硼化锆晶形完整且含量较高;通过陶瓷纤维的X射线能谱分析(EDS)及元素分析(EA),发现纤维产物的纯度也较高;另外,扫描电镜(SEM)、单丝强度测试和热失重(TG)分析结果表明:干法纺丝制得的陶瓷纤维表面光滑,强度较好,具有一定的耐高温性。

固含量对二硼化锆陶瓷纤维前驱体溶液可纺性的影响(英文)

本文利用液相前驱体法制备二硼化锆（ZrB2）陶瓷纤维前驱体溶液。分别用转矩流变仪及自制干法纺丝设备研究固含量对流变性能及可纺性的影响，结果表明：前驱体溶液保持聚合物溶液的性质；随着固含量的提升，前驱体纺丝液的粘性区逐渐变窄，但总的来说较宽，适宜纺丝。另外，固含量在27．4％～31．3％之间的前驱体溶液可以纺丝，含30．89／6固含量的溶液在纺丝压力0．6MPa，纺丝温度50℃，卷绕速度3m／min条件下，可以制得连续纤维。

二硼化锆陶瓷薄膜制备的初步探索

利用无机物硼酸、蔗糖、八水合氧氯化锆、柠檬酸为原料,聚乙烯醇为助剂,利用液相前驱体法制备出二硼化锆前驱体溶液,并制得前驱体薄膜,在1600℃下裂解制得ZrB2陶瓷薄膜。扫描电镜及EDS,孔径分布结果显示,制得的前驱体膜较为光滑且陶瓷薄膜致密,存在少量小于5nm的微孔。XRD及元素分析结果表明制得了较为纯净ZrB2陶瓷膜,当中存在一些碳元素,主要是由于不充分的碳热还原反应。

复合材料模量对汽车传动轴固有频率的影响

利用Ansys Workbench有限元软件和脉冲激振技术,分别从有限元理论计算与实验相结合的角度研究了不同纤维增强复合材料对汽车传动轴固有频率的影响规律。采用玻璃纤维、玄武岩纤维、T700碳纤维及T800碳纤维等四种不同纤维制备了复合材料传动轴轴管,并根据GB/T 1548—2008,表征了复合材料的力学性能。利用有限元仿真与脉冲激振模态测试两种方法表征了不同纤维缠绕的复合材料汽车传动轴的固有频率。结果表明:脉冲激振模态测试传动轴的固有频率方法结果比较直观,可以准确地得到传动轴的固有频率;有限元仿真分析与脉冲激振法实测结果有一定偏差,但可以通过仿真模型的调整,使仿真结果更加准确;提高复合材料的拉伸模量是提高复合材料传动轴固有频率的有效途径之一。

二硼化锆陶瓷前驱体纤维的制备及表征

利用八水合氧氯化锆、硼酸、蔗糖和柠檬酸为无机原料,聚乙烯醇为有机原料,采用有机、无机共混反应制得前驱体溶液,并利用干法纺丝制得前驱体纤维,通过红外光谱(IR)、差示扫描(DSC)、热失重(TG)分析表征发生的反应及产生的一系列变化,利用扫描电镜(SEM)观察纤维的形态结构。结果表明:无机成分与聚乙烯醇发生了反应并使聚乙烯醇变得稳定,制得了光滑致密的纤维,为下一步制得ZrB2陶瓷纤维做好了准备。

正硅酸乙酯改性对二硼化锆陶瓷纤维抗氧化性能的影响研究

采用有机高分子助剂——聚乙烯醇、无机小分子——八水合氧氯化锆、柠檬酸、蔗糖、硼酸,通过有机、无机共混的方法,制得了二硼化锆陶瓷前驱体纤维;同时,添加正硅酸乙酯(TEOS)制得了改性纤维,在1600℃高温下裂解,制得了陶瓷纤维。结果表明,添加TEOS对ZrB2陶瓷纤维的抗氧化性能的提升有很大的作用,且不会改变ZrB2的晶型结构,所制得的陶瓷纤维形貌较好。

二硼化锆前驱体溶液流变性能研究

采用水和乙醇混合液为溶剂,八水合氧氯化锆、硼酸、柠檬酸、蔗糖为无机原料,通过溶解混合反应制得无机溶液。利用聚乙烯醇为助剂,通过混合浓缩制备了ZrB2前驱体溶液,并对其进行了流变性能研究与干法纺丝尝试。结果表明,溶液的粘度、储能模量和损耗模量均随温度升高先降低后增加;粘度随着剪切频率及剪切速率的升高而下降,并随着聚乙烯醇含量的升高而下降,说明该溶液为假塑性流体,并且无机成分的加入对其流变性能影响不大;损耗角正切随着温度的升高及剪切频率的增加呈现出先增加后降低的趋势;粘流活化能、非牛顿指数、结构粘度指数均随着聚乙烯醇含量的增加而下降,表明溶液可纺性能得到提升。聚乙烯醇占25%的前驱体溶液可以干纺得到很好的纤维,表明所制得的一系列比例的溶液都可以纺制较好的前驱体纤维,为下一步制备ZrB2陶瓷纤维打下基础。

纺速对二硼化锆陶瓷前驱体纤维结构和力学性能的影响

利用八水合氧氯化锆、硼酸、柠檬酸、蔗糖为无机原料,聚乙烯醇为纺丝助剂,通过混合制备出二硼化锆(ZrB2)陶瓷前驱体纤维纺丝液,利用干法纺丝法分别在不同纺速下得到ZrB2前驱体纤维.通过傅里叶红外光谱(FT-IR)分析ZrB2前驱体纤维的结构,利用X射线衍射(XRD)、差示扫描量热(DSC)、扫描电镜(SEM)和纤维拉伸强度的测试结果来表征纺速对ZrB2前驱体纤维的影响.结果表明:所得到的纤维均致密且较光滑,且前驱体纤维结构随纺速提升而变得稳定;取向度随着纺速的提升而增加,直径随着纺速的提升而下降;强度随纺速的提高而增加,当纺速为350m/min时,前驱体纤维强度可达0.89GPa.

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。

酚酞基聚芳醚酮/环氧树脂共混体系流变性能及固化反应动力学的研究

利用酚酞基聚芳醚酮(PEK-C)对环氧树脂进行了增韧改性,系统研究了不同PEK-C含量的PEK-C/E51/E100共混体系的流变性能,采用DSC分析了在不同升温速率下不同PEK-C含量对共混体系固化反应的影响,并详细计算了各共混体系固化反应的表观活化能和固化反应级数。结果表明,PEK-C的引入缩短了共混体系的凝胶时间,这可能与PEK-C中的羟基对环氧树脂的固化具有促进作用有关;同时,PEK-C的加入并不影响环氧树脂的固化机理。

CFRP缠绕薄壁铝圆管的轴向压溃吸能特性分析

采用仿真与试验结合的方法,探讨缠绕方式为[±45°/90°]碳纤维增强复合材料(CFRP)/铝混合薄壁圆管在准静态轴向压缩载荷下的压溃失效形式与吸能特性。通过准静态轴向压缩试验得到混合圆管的压溃变形历程、压溃模式以及初始压溃载荷、平均压溃载荷等吸能特性参数。依据试验样件建立混合管有限元模型,利用Abaqus/Explicit获得了与试验吻合度较好的模拟结果,重现了混合管在准静态载荷下的压溃失效行为。基于仿真结果发现与铝管相比,混合管的初始压溃载荷、平均压溃载荷、比吸能及载荷效率分别提升了97.6%、93.3%、57.8%和5.9%。并选取压溃载荷阶段性峰、谷点对混合管形态及各层纤维损伤失效形式进行了分析。结果表明:在混合管结构完整时,轴向载荷主要由纤维承载,在压溃破坏阶段,纤维损伤失效模式随纤维缠绕角度、铝管压溃形态以及CFRP/Al粘接界面状态等产生变化。随后对比了三种不同结构形式CFRP/Al混合圆管的吸能特性,发现外层缠绕[90°/±45°]CFRP/Al混合圆管吸能性最好。

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。

垫片尺寸对碳纤维复合材料螺栓连接单搭接挤压强度影响研究

针对碳纤维复合材料单搭接螺栓连接结构,研究不同垫片外径对螺栓连接的挤压强度及损伤的影响,并仿真分析其失效模式。发现在单搭接螺栓连接结构中,加入垫片可以提高连接的挤压强度,且强度随着垫片外径尺寸的增加而增加。当垫片外径从11.8 mm逐渐增加到13.8 mm、15.8 mm和17.8 mm时,挤压强度分别在前一基础上提升了5.76%、5.87%和2.4%。试验结果表明垫片外径增加到一定程度时,挤压强度的增强效应开始减弱,但对失效模式并没有影响,仍为挤压失效模式。在Abaqus有限元软件中建立碳纤维复合材料单搭接螺栓连接三维有限元模型,引入含拉伸分层损伤、压缩分层损伤的三维Hashin准则和改进了的Tan、Tserpes材料刚度退化模型,仿真得到的载荷-位移曲线和失效模式与试验结果相吻合。

Si-B-N-C陶瓷纤维的高温抗氧化性

将Si-B-N-C陶瓷纤维在静置的空气氛围下分别于1300～1400℃区间内处理不同时间,通过扫描电镜(SEM)观察其微观结构的变化,用X-射线能量色散仪(EDS)、元素分析(EA)表征其截面及内部的元素分布和含量变化,并借助X-射线衍射光谱(XRD)表征氧化处理对纤维晶型变化的影响。结果表明:氧化后的纤维有明显的皮芯结构,并且皮层大致可分为3层,主要由B、N、Si、O元素组成;氧化保护层的存在,很好地阻隔了纤维核心层与外界空气的直接接触,从而保留了纤维本身优异的耐高温性能。

纤维缠绕角度对CFRP-Al混合圆管横向受载性能影响

基于准静态横向弯曲试验对缠绕工艺下制备的CFRP/Al混合圆管进行抗弯性能和吸能特性研究,分析了混合圆管的破坏模式,基于不同纤维缠绕角度的碳纤维复合材料-铝合金混合圆管三点弯曲试验结果,通过有限元仿真方法研究了内层纤维缠绕角度对其横向抗弯与吸能特性的影响。试验结果表明,CFRP-Al混合圆管横向载荷下的失效形式、损伤模式与纯铝管基本保持一致,但受纤维缠绕角度的影响失效形貌略有差异。纤维缠绕角度越小,CFRP-Al混合圆管的抗弯性能和吸能性越好,同时压溃效率(CFE)明显降低。基于验证的有限元模型,研究不同角度纤维缠绕内层对于表层纤维层的应力传递影响,小角度缠绕内层对于管件的轴向拉伸变形抑制增加了管件整体峰值载荷与吸能作用,大角度缠绕内层对于管件环向刚度的提升增加了整体压溃效率。依此分析可为合理设计CFRP-Al混合管提供有效依据。

不同工艺复合材料层合板冲击性能研究

本文通过金相显微镜以及煅烧法对不同工艺T700/YPH-41T(12 k)体系碳纤维复合材料的纤维体积含量测定以及采用落锤冲击试验机对冲击性能表征。实验结果表明板材采用热压罐工艺比采用真空袋工艺的纤维体积含量高,分别为77.3%、55%;板材采用不同工艺其冲击响应不同,具体表现在最大冲击力、冲击接触时间、冲击最大位移等;最后整理归纳冲击数据,得到相同能量冲击下真空袋工艺板材的冲击能量吸收率比热压罐工艺板材的冲击能量吸收率高。