碳纤维增强树脂基复合材料的层间颗粒增韧技术研究进展

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有高强高模的优点,被广泛应用于汽车、体育、船舶、航空航天等领域,达到了材料轻量化的要求。目前使用较多的树脂基体以环氧树脂(EP)等热固性树脂为代表,普遍存在脆性大、韧性差的问题,导致复合材料层合板容易在层间发生开裂。层间增韧是一种有效的增韧方式,它可以在不改变基体树脂粘度的情况下对特定区域进行增韧,提高材料的断裂韧性。本文介绍了层间断裂模式并总结了层间断裂韧性(ILFT)测试的数据处理方法,总结了聚合物颗粒与无机纳米颗粒(主要是碳纳米管)的颗粒种类、增韧机制、引入方式,并主要通过层间断裂韧性评价了各种颗粒的增韧效果。

高模量碳纤维复合材料管件高低温交变环境结构稳定性研究

针对高模量碳纤维复合材料管件高低温交变环境下截面变形、分层问题,基于纤维混杂思路,在其大角度差铺层之间增设单层超薄(0.02 mm)无碱玻璃纤维平纹布,仿真分析表明,该玻璃纤维平纹布的加入,有效缓解了碳纤维大角度铺层之间的热膨胀失配,降低了层间应力。高低温交变试验结果印证了仿真分析的正确性,经过液氮温度(-196℃)至+150℃共六个高低温交变循环后,层间设置玻璃纤维平纹布的管件试件截面结构保持完整,几何尺寸未发生变化。单向板弯曲对比试验表明,超薄玻璃纤维平纹布的加入不仅起到了层间增韧效果,且对结构的弯曲性能无明显影响,这得益于超薄玻璃纤维平纹布的低模量与极小的厚度占比(1.6%)。

MWCNTs/PEI杂化纳米纤维膜用于增韧液体成型CF/EP复合材料研究

为了研究不同浓度碳纳米管含量的多壁碳纳米管/聚醚酰亚胺(MWCNTs/PEI)杂化纳米纤维膜对于液体成型环氧树脂碳纤维复合材料的影响,本文制备了液体成型环氧树脂碳纤维复合材料进行实验。通过静电纺丝法制备碳纳米管/聚醚酰亚胺杂化纳米纤维膜,系统研究碳纳米管含量对碳纤维/环氧树脂复合材料层间韧性和面内力学性能的影响,并分析性能与层间多级微观结构的关联机制。研究发现,适应VARI工艺的碳纳米管/聚醚酰亚胺杂化纳米纤维膜使复合材料I型层间断裂韧性得到改善。这可能与碳纳米管/聚醚酰亚胺杂化纳米纤维膜中聚醚酰亚胺通过原位溶解和固化诱导相分离在层间区域形成PEI相分离微球以及碳纳米管的起到钉扎,锚固效应和裂纹尖端分叉机制吸收更多的能量的作用,同时提高层间裂纹扩展阻力和改善层间树脂基体载荷转移能力的作用有关。

静电纺丝增韧碳纤维复合材料研究进展

碳纤维复合材料因性能优异而被广泛应用于许多尖端领域,以碳纤维增强树脂基复合材料为主要代表。然而,树脂基体自身的脆性,以及复合材料较差的层间断裂抗性仍然是阻碍碳纤维复合材料发展的瓶颈。静电纺丝是一种高效且灵活的纳米纤维制备方法,所制备的纳米纤维具有高孔隙率、低密度、高比表面积等优点,可以通过改善碳纤维表面、增强树脂基体以及两者之间的界面黏结作用,实现多种机理的层间增韧。本文从树脂基体切入,分为层间颗粒增韧、层间纤维膜增韧及复合纳米增韧三部分讨论了近三年的研究成果,并指出了层间增韧领域未来的研究方向。

环氧树脂基复合材料层间性能改进研究

环氧树脂基复合材料层间性能改进主要有树脂基体增韧与层间结构设计两种方法。树脂基体增韧包括填料,胶膜,沉积等;层间结构设计包括三维编织、缝合和Z-pinning技术。本文主要介绍了两种复合材料层间性能改进方法的研究进展与当下发展方向。

层间颗粒增韧复合材料层压板的Ⅱ型层间断裂韧性

采用热塑性颗粒对HT7/5228、HT3/NY9200G、HT3/5224和HT3/3234四种热固性树脂基体复合材料进行层间增韧,测试了未层间增韧对比件和层间增韧改性件的型层间断裂韧性G c。试验结果表明,增韧颗粒和基体树脂形成的Interlayer层有效的吸收了断裂能量并抑止了裂纹的失稳扩展,G c显著提高。层间增韧的几何效应、裂纹传播路径控制、裂尖屏蔽和颗粒桥联是主要的增韧机理。有限元分析结果表明Interlayer层降低了裂纹尖端J积分值和裂尖应力集中,进一步解释和支持了增韧机理。

层间颗粒增韧HT3/QY8911的损伤阻抗和损伤容限

采用热塑性颗粒对双马基体复合材料层合板HT3/QY8911进行层间增韧,制备未加入增韧颗粒的对比件和加入增韧颗粒的改性件。通过准静态压痕(QSI)实验和冲击后压缩实验,研究了层间增韧后HT3/QY8911的损伤阻抗和损伤容限特性。结果和分析表明,改性件在静压痕力下具有较高的分层起始载荷,或在相同载荷水平下具有较小的损伤面积。提出从分层起始点载荷大小和载荷下降程度两方面来衡量试件对准静压痕力的响应。在相同的静压痕力或单位厚度冲击能量下,层间增韧后的HT3/QY8911具有较深的凹坑,表明塑性变形较大的层间区域以凹坑为代价换取了较小的损伤面积,具有较高的损伤阻抗。在冲击后压缩面积相差不大的情况下,层间增韧件的冲击后压缩强度和压缩破坏应变显著增加。

碳/环氧复合材料层间增韧研究进展

综述了碳/环氧复合材料层间增韧的研究现状与发展趋势,着重对碳/环氧复合材料层间增韧方法与性能的关系进行了介绍。

复合材料层间增韧机理的有限元分析

在复合材料层间植入韧性夹层,可以有效提高层间韧性,其增韧机理在于夹层可以有效降低纤维层对裂纹尖端的约束,并降低裂纹尖端应力。文中建立层间裂纹的有限元模型,采用数值分析方法,分别计算加入夹层前后裂纹尖端的J积分值、应力强度因子以及裂纹尖端的应力场。计算结果表明,加入夹层后Ⅰ型和Ⅱ型层间裂纹尖端的J积分、应力强度因子和裂尖应力场均显著降低,并指出在夹层和相邻纤维层间界面附近出现的高应力区是造成界面失效的一个原因。

层间增韧复合材料层合板低速冲击损伤预测

基于层间增韧复合材料层合板的低速冲击实验,在ABAQUS分析环境下建立了一套量化考查低速冲击载荷作用下层间增韧对复合材料层合板力学行为影响的有限元分析模型。模型中采用自行开发的VUMAT子程序定义复合材料层内单元材料本构关系,预测典型的层内失效模式,包括纤维拉伸失效、纤维压缩失效、基体开裂失效和基体挤裂失效,并对失效单元进行相应的刚度折减。模型中在复合材料层合板相邻两铺层间定义了一层层间界面单元,层间分层起始损伤是采用二次名义应力判据来预测的,层间分层扩展采用的是混合模式的能量准则来判断的。有限元预测结果和实验结果的比较验证了分析方法和分析模型的准确性和有效性。

微米Al_2O_3层间增韧EP/CF复合材料性能研究

采用喷雾技术,通过VARTM工艺制备了微米Al2O3层间增韧环氧树脂/碳纤维复合材料,研究了微米Al2O3面密度对改性复合材料II型层间断裂韧性的影响,并进一步分析了改性对复合材料弯曲、冲击等性能的影响。研究结果表明,微米Al2O3的加入明显改善了复合材料的II型层间断裂韧性,当面密度为15 g/m2时,改性效果最好,II型层间断裂韧性由348 J/m2增加至522 J/m2,其增韧机理与裂纹的偏移、大量微裂纹的形成、Al2O3粒子从基体中拔出及与基体脱粘等现象有关。此外,改性复合材料的冲击性能得到了较好的改善,弯曲性能则稍有提高。

热固性聚酰亚胺树脂基复合材料的增韧改性研究进展

热固性聚酰亚胺是目前有机材料体系中耐热性能最为优异的材料之一,以其制备的纤维增强复合材料在航空航天领域获得了大量的应用。但韧性性能不足限制了其在多个领域的进一步应用,因此高韧性聚酰亚胺复合材料逐渐成为近年来研究的热点。综述了热固性聚酰亚胺树脂基复合材料增韧改性方法的研究现状与发展趋势,涉及基于分子主链结构的增韧改性方法、热塑性聚合物共混增韧热固性聚酰亚胺、热塑性聚合物层间增韧改性聚酰亚胺复合材料等一系列方法。

基于结构仿生的GFRP板簧层间增韧性能研究

为了提高玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)板簧的层间韧性,进而提高其疲劳寿命,本文仿照珍珠母矿物质结构单元的排列形式设计了砖砌型增韧结构的GFRP板簧。制作了同尺寸砖砌型结构和非增韧结构缩比板簧样件,层叠铺设方法按照变厚度层合板铺层递减设计原则,并对砖砌型结构和非增韧结构缩比板簧进行了刚度实验、疲劳实验和剩余刚度实验。实验结果显示:与无增韧结构GFRP板簧相比,砖砌结构GFRP板簧的刚度降低了8.4%,但疲劳性能提升了28.99%,疲劳实验后无增韧结构完全断裂,没有剩余刚度,砖砌增韧结构GFRP板簧仍具备43.52%的原始刚度。无增韧结构GFRP板簧的疲劳失效形式是层间分层,结构完全断裂;而增韧结构GFPR板簧的疲劳失效形式是层间分层被阻断,结构形成局部断裂,进行剩余刚度实验后,其断裂截面呈阶梯状。

建筑装饰用GF/EHP材料真空辅助成型制备及其力学性能分析

为了改善玻纤/乙基己基酯(GF/EHP)材料的层间性能,分别添加氯化聚氯乙稀(PAM)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚酰胺(PA66)、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)四种增强织布类型,来改善VARI工艺制备的玻纤/乙基己基酯(GF/EHP)材料层间性能,并通过实验测试的手段研究了其拉伸、弯曲和层间断裂韧性。研究结果表明:加入织布后,GF/EHP材料获得了更大厚度,密度发生降低,树脂含量出现提升,制得的GF/EHP材料都都基本获得了更高孔隙率。添加织布后,获得了更大的厚度,纤维体积比例发生了降低,更易发生开裂并出现纤维从基体中脱粘情况。将织布加入层间后,弯曲强度发生略微减小。对添加EVA后GF/EHP材料断裂测试,将纤维抽出时并未发生脆性断裂,改善了纤维和基体之间的结合性能,显著提升了GF/EHP材料的抗裂纹扩展能力。

碳纳米管喷涂层增韧玻璃纤维/环氧树脂基复合材料的制备与增韧机制

玻璃纤维增强树脂基复合板(GFRP)由于价格便宜、力学性能优异、耐疲劳等优点,广泛应用于风电叶片、运动器材等领域。但是上浆剂和树脂间的不良配合易导致层间分层破坏。本文通过在玻璃纤维织物表面喷涂碳纳米管(CNT)喷涂层,在不破坏面内性能的情况下,使双酚F型和双酚A型环氧树脂基体的玻璃纤维/树脂复合材料的层间I型断裂韧性分别提高了71.7%和23.4%。结果表明:CNT-丙酮分散液喷涂工艺在玻璃纤维上稳定地负载了CNT,成功改变了玻璃纤维表面形态,并通过机械锁合、拔出耗能、延长裂纹扩展路线和触发纤维桥接等机制,成功对不同树脂基体的GFRP实现增韧。

基于多功能插层结构的高导热碳纤维复合材料制备与表征

随着碳纤维增强树脂基复合材料在航天领域中的广泛应用,结构/功能一体化碳纤维(CF)复合材料将发挥出重要作用。本文采用功能化层间技术(Functional interlayer technology,FIT)制备了高导热沥青基碳纤维增强氰酸酯复合材料。在短切碳纤维薄膜表面电泳沉积石墨烯片(GNPs)和Al_(2)O_(3)制备薄膜材料GNPsAl_(2)O_(3)/CF作为多功能插层结构,以其取代纤维层之间的富树脂层区域。后者表现出良好的导热性能,正交铺层复合材料的面内热导率和面外热导率分别提高了123.1%和77.5%,准各向同性铺层复合材料的面内热导率和面外热导率分别提高了119.0%和50.0%。此外,多功能插层结构的加入可以阻碍裂纹的扩展,改善复合材料层间韧性。因此,多功能插层结构既能在层间形成有效的导热网络结构,改善复合材料面内和面外热导率,又能提高层间区域的增韧效率。

纤维增强热固性聚合物基复合材料层间增韧研究进展

综述了纤维增强热固性聚合物基复合材料(PMC)层间增韧的最新研究进展。热固性复合材料由于基体树脂高的交联密度而呈脆性,表现出低的冲击损伤阻抗和损伤容限特征。柔性聚合物层间增韧是改善聚合物基复合材料层间断裂韧性和抗冲击性的有效手段,且不会降低热固性树脂的热性能和高模量。目前有3种层间增韧方法:颗粒增韧、聚合物纤维增韧和薄膜增韧。讨论了3种方法的概念、实施方案、增韧机理及研究成果。最后重点阐述了创新性的复合材料"离位"增韧思想,介绍了具有全部自主知识产权的"离位"复合材料高性能化技术体系,包括预浸料和液态成型两大复合材料产品系列。

短纤维插层碳纤维/环氧树脂复合材料层间性能

碳纤维/环氧树脂复合材料因具有高的比强度、比模量、抗疲劳性好等优点,已在航空航天、轨道交通、汽车等领域得到越来越广泛的应用。然而作为碳纤维/环氧树脂复合材料的主要结构形式之一的层合板结构,由于厚度方向没有纤维,导致层间性能最弱,极易发生分层破坏,影响结构的承载性能。短纤维层间插层增韧是改善碳纤维/环氧树脂复合材料层间性能的有效手段,近年来,国内外学者开展了大量的相关研究工作,但仍缺乏短纤维层间插层增韧的系统研究。本论文选用碳纤维、亚麻纤维及Kevlar纤维作为插层短纤维,系统地分析和讨论了短纤维种类、插层面密度和纤维长度对碳纤维/环氧树脂复合材料层间增韧效果的影响。结果表明,对于不同的短纤维插层,均存在着随着短纤维长度和插层面密度的增加,复合材料层间断裂韧性先上升后下降的趋势。在此基础上揭示了不同种类纤维的增韧机制,纤维桥联、裂纹扩展路径改变、纤维多层级破坏及纵向撕裂等均有助于复合材料层间断裂韧性的提高,研究结果为短纤维插层增韧复合材料的结构设计奠定了基础。

基于芳纶pulp优化的碳纤维增强树脂基复合材料的抗损伤性能及残余抗压强度

针对树脂基复合材料树脂粘接层脆性大且存在结构缺陷,易发生剥离和分层等突出问题,提出以轻质高强的芳纶pulp(AP)作为增强剂,通过模压成型制得强化的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP),研究不同添加面密度对复合材料抗钻孔、钻孔-冲击二次损抗性能和损伤后的抗压强度的影响。结果表明,6 g/m^(2)AP使复合材料直接、钻孔以及钻孔-冲击后抗压强度分别增强37.3%、41.0%和41.8%。分析认为:AP改善了树脂脆性,消除层间富树脂区域,提升层间断裂韧性,抑制了裂纹生长;同时AP以纤维桥连形式贯穿于树脂层和碳纤维层,不仅改善了树脂与碳纤维粘接界面的缺陷,也构建准Z方向的纤维排布,避免裂纹向单层界面扩展而导致结构分层,从而实现结构强化。