三维四向碳/碳复合材料力学性能预测与试验验证

针对三维四向碳/碳复合材料力学性能预测问题,基于参数传递多尺度分析方法建立微结构模型,并结合细观力学方法实现了基本力学性能的预测。首先在微观尺度采用随机扰动算法构造出纱线体积代表单元(RVE)模型,预测得到纤维束有效性能参数。同时,采用观察试验法构建三维四向碳/碳复合材料细观RVE模型。最后通过均匀化理论准确预测了复合材料弹性性能参数,并讨论了纱线填充因子对三维四向碳/碳复合材料弹性性能参数的影响,开展了相关试验。结果表明:建立的多尺度有限元模型的拉伸模拟预测结果与试验结果误差在5.5%左右;复合材料弹性性能参数对纱线填充因子的敏感度各不相同。

一种三维四向碳/碳复合材料的微观结构与力学性能

采用轴棒法编织三维四向碳纤维预制体。经高压沥青浸渍碳化致密化工艺(HIPIC)处理后,该预制体被制成高密度三维四向碳/碳(C/C)复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM)和光学显微镜(OM)对其微观结构和断面形貌进行分析;采用拉伸、压缩和三点弯曲等试验方法对其力学性能进行测试。结果表明:轴棒法编织的三维四向C/C复合材料致密均匀,力学性能良好;断口的扫描电子显微镜图片表明复合材料的破坏方式以假塑性断裂为主。

玻纤/碳纤三维编织一体成型多异质界面复合材料电磁屏蔽性能

为减少电磁波在碳纤维复合材料表面反射,减少二次污染,采用玻纤作为阻抗匹配层,为增强复合材料对电磁波的吸收,构造玻纤-碳纤多异质界面,通过多次反射延伸传播路径消耗电磁波;采用三维混杂编织工艺设计并制备3种玻纤/碳纤一体成型多异质界面预制件,再通过真空辅助树脂传递模塑成型技术固化得到复合材料H-G/C、H-G/C/G和H-G/C/G/C,研究分析3种复合材料的电磁屏蔽性能和轴向静态压缩性能。结果表明,3层结构的H-G/C/G复合材料在频率为12.34GHz时屏蔽效能高达71.14dB,X波段内平均吸收功率系数为0.77,屏蔽机制以吸收为主,抗压缩强度为254.59MPa,复合材料表现出低反射、高屏蔽效能和高抗压缩强度特性。

玻璃与碳纤维混杂增强复合材料3D打印与实验

本研究基于热塑性材料熔融沉积成型工艺,研制了双喷头连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构增材制造平台,制备了不同混杂比的纤维增强热塑性复合材料结构试件,分析了不同结构试件的弯曲力学性能与失效模式,探索了嵌入碳纤维智能层的混杂纤维增强热塑性复合材料的力阻行为。结果表明:比较纯热塑性材料结构件,玻璃纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了115.99%,碳纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了198.76%;玻璃纤维与碳纤维混杂增强复合材料结构件具有负弯曲强度混杂效应和正弯曲模量混杂效应。可根据碳纤维电阻相对变化率对混杂增强复合材料结构的应变与断裂破坏状态进行实时自感知。研究结果为连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构件的高质高效制造与智能化提供了新工艺与新思路。

连续碳纤维增强尼龙复合材料的3D打印研究

连续碳纤维增强复合材料具有高强度、刚性、耐磨、耐高温和轻量化等优点,适用于需要高性能且轻量化的领域。将三维(3D)打印技术用于制备连续碳纤维增强复合材料则具有更高效、低成本、高材料利用率和灵活生产等优势。本文开展了连续碳纤维增强尼龙复合材料的3D打印研究,研究了挤出宽度、层厚、打印温度对打印材料拉伸性能以及弯曲性能的影响,并探究了退火后处理对材料力学性能的影响。使用扫描电子显微镜(SEM)观察了3D打印样品的切割横截面和拉伸断裂失效横截面,在不同工艺参数条件下,分析和讨论了打印样品和后处理打印样品的内部结构和力学性能之间的关系。结果表明,当挤出宽度为0.65 mm时打印样品力学性能最佳,拉伸强度和拉伸模量为501.51 MPa和31.70 GPa,弯曲强度和弯曲模量为164.53 MPa和31.91 GPa;当层厚为0.1 mm时打印样品力学性能最佳,拉伸强度和拉伸模量为520.78 MPa和36.59 GPa,弯曲强度和弯曲模量为168.43 MPa和32.31 GPa,之后力学性能随着层厚的增加而减小。打印温度对打印样品的力学影响较小。退火后处理对打印样品的力学性能具有一定的优化效果,拉伸强度提升效果有3.07%,弯曲强度提升了51.27%。

碳纤维复合材料的超声相控阵无损检测研究

碳纤维复合材料是目前耐高温性能最好的防护材料之一,其具有较高的隔热性、强度,但是其内部结构复杂,容易产生内部缺陷,影响其使用寿命。超声相控阵检测技术能准确地检测其缺陷的大小、位置等信息。主要针对碳纤维复合材料内部的缺陷检测问题,在缺陷回波识别算法的基础之上,利用超声相控阵检测技术,对具有分层缺陷的试件进行检测,并对检测结果进行三维可视化表征,验证算法的可行性以及准确性。研究表明,该检测方法对于表面缺陷的检测准确率较高。

旋转超声铣削碳/碳复合材料表面三维粗糙度研究

为了改善碳/碳复合材料铣削表面质量,提升其使役性能,开展了旋转超声铣削碳/碳复合材料表面粗糙度的研究。首先研究了端铣表面三维粗糙度Sa、Sq、Sku和Sdr随主轴转速、进给速度、切深和超声电流的变化规律。其次,分析了旋转超声侧铣对不同纤维切角下三维粗糙度的影响特性。最后分别从端铣和侧铣的角度讨论分析了超声振动对表面质量的改善机理。试验结果表明:施加超声场能后端铣表面粗糙度幅度参数Sa和Sq不仅降低了约20%,而且随加工参数的增加,波动性减小,变化趋势更加明显。侧铣时超声振动使得碳/碳复合材料在不同纤维切削角下的Sa和Sq减小了10%~33%。此外,旋转超声铣削表面界面扩展比Sdr在端铣和侧铣中都有较大幅度的减少,最高可达65%,有效减少了碳/碳复合材料表面的空隙和裂纹。

宽度方向切削的三维编织碳/碳复合材料拉伸试验研究

对完整的三维编织碳/碳复合材料宽度方向的两边进行切削加工,开展了试验段宽度分别为8、13、16、21、25 mm,以及试验段长度分别为2.9、4.7、10.7、15.6、25.6 mm试验件的拉伸试验,研究切削后试验段宽度、长度对三维编织碳/碳复合材料弹性模量和拉伸强度的影响.结果表明:弹性模量及拉伸强度随试验段宽度的增大而减小,拉伸强度会趋于切削强度极限;当宽度为8和25 mm时,切削后试验件的拉伸强度分别为未切削的23.33%和84.96%,弹性模量分别为未切削的67.04%和87.96%;随着试验段长度的增加,拉伸强度和弹性模量逐渐降低;当试验段长度为2.9和25.6 mm时,切削后试验件拉伸强度为未切削的91.17%和58.25%,弹性模量为未切削的94.14%和76.99%;采用指数函数对试验结果进行拟合,得到了切削后试件拉伸强度随试件宽度和长度的数值关系和演化规律.

经纱织造张力对碳纤维增强三维机织复合材料力学性能的影响研究

三维机织预制体生产过程中,经纱张力控制对预制体织造及复合材料性能有至关重要的影响,选择最佳经纱织造张力可以有效提高三维机织复合材料质量。文章研究了不同经纱织造张力对三维机织预制体及三维机织复合材料性能的影响,结果显示:经纱织造张力越大,在机织造过程中经纱的磨损就较大,预制体面密度越大。当经纱织造张力为150 gf时,织造的预制体对应的复合材料经向拉伸强度最大,但经纱织造张力对其经向压缩性能几乎没有影响。

纳米硒化铁/三维多孔碳负极材料的制备及其电化学性能

作为钠离子电池负极材料,FeSe_(2)在循环过程中易发生团聚,导致循环性能下降,通过制备碳基复合材料可解决此问题。本文以NaCl为模板,利用冷冻干燥技术制备了三维多孔碳(3DPC),同时采用水热法制备了FeSe_(2)、FeSe_(2)/3DPC负极材料,通过调节FeSe_(2)含量制备了不同比例的FeSe_(2)/3DPC复合材料,考察了复合材料的电化学性能。结果表明:FeSe_(2)/3DPC复合材料具有比FeSe_(2)和3DPC更优异的电化学性能,在1.0 C倍率下,初始放电比容量为823 mA·h/g,循环1000周后可逆放电比容量保持率为25.2%。当FeSe_(2)质量分数为40%时,材料具有最高的放电比容量;在1.0 C倍率下,循环1000周后可逆放电比容量为150 mA·h/g,电化学性能最佳。本研究成果可为钠离子电池负极材料的设计提供参考。

碳纤维复合材料力学性能研究进展

目的综述碳纤维复合材料这一热结构材料的力学性能研究进展,推进碳纤维复合材料的研制和应用。方法采用文献调研法,梳理和汇总国内外有关碳纤维复合材料力学性能的研究内容,对二维复合材料、针刺复合材料及三维编织复合材料3种结构进行性能影响因素分析。结论影响碳纤维复合材料静态和动态力学性能的因素主要有温度、应变率、密度等,提出应进一步开展碳纤维复合材料在多因素耦合及高温动态性能方面的研究。

3D打印碳纤维复合材料力学性能计算与实验

针对三维打印(3D打印)连续碳纤维热塑性复合材料力学性能计算需求,结合3D打印熔融沉积成型工艺特点,考虑填充率和沉积线角度等工艺参数影响,对传统复合材料混合定律进行改进,提出一种基于改进混合定律计算预测3D打印连续碳纤维增强热塑性复合材料结构件拉伸强度和模量的新方法。研究表明,在不同填充率下,所提出的基于改进混合定律计算得到的拉伸强度与实验结果更加接近,平均预测误差为1.8%;而根据传统复合材料混合定律计算拉伸强度与实际测试结果相比,平均预测误差为11.6%;相较传统复合材料混合定律,所提改进混合定律计算方法平均预测误差减小9.8%。研究结果为3D打印连续碳纤维增强热塑性复合材料结构件力学性能的可调可控打印提供了一种可行的理论计算方法。

碳系填料构筑具有隔离结构导热复合材料进展

导热途径不均匀导致导热效率较低是制备高导热聚合物复合材料的重点难题,制备具有优良导热性能的复合材料仍面临巨大的挑战。制备具有三维导热网络结构的复合材料,有效地提高了热导率,是目前导热复合材料研究的热点。隔离结构的导热复合材料具有独特的导热网络结构,为声子提供了有效的传播途径,并且能降低填料-基体、填料-填料间的界面热阻,在低负载下能获得高热导率。综述了近年来碳系填料构筑隔离结构的导热复合材料的研究进展,分析了具有隔离结构复合材料的导热机理及制备方法,对各类方法制备复合材料的性能、特点缺陷进行概括对比,并且对能提升热导率的方法进行简要分析。

三维编织碳纤维/环氧复合材料的吸湿特性及外应力的影响

采用真空浸渍法制备了三维编织碳纤维增强环氧树脂(C3D/ER)复合材料,研究了该复合材料的吸湿特性及外应力的影响。讨论了应力对C3D/ER复合材料吸湿行为的作用机理。结果表明,与环氧树脂不同,C3D/ER复合材料的吸湿行为不能用Fick第二定律描述。外应力可加速吸湿初期复合材料的吸水和力学性能的下降,但可降低复合材料平衡吸湿量和最终力学性能的下降幅度。分析表明,吸湿过程中C3D/ER复合材料力学性能的高低取决于其吸湿量的大小。

三维针刺碳/碳化硅陶瓷基复合材料及其摩擦磨损性能

采用三维针刺的碳纤维预制体,通过化学气相渗透方法制备具有一定密度的C/C复合材料,然后采用反应熔体浸渗方法进行后续致密化处理,得到高致密度的C/S iC复合材料,系统研究了材料的组织结构特征、刹车性能以及摩擦磨损机理。在纤维束内部每根C纤维单丝之间由化学气相渗透的碳充填形成致密的C/C区域,而在纤维束之间则主要由反应熔体浸渗法生成的S iC、残留S i和C组成。C/S iC复合材料具有非常优异的摩擦磨损性能,摩擦系数变化规律呈典型的马鞍状。平均摩擦系数为0.34,摩擦性能稳定,磨损率低(1.9μm/次.面);摩擦性能几乎不受湿度的影响,湿态衰减仅为2.9%。在摩擦磨损过程中,C/S iC复合材料的表面能够形成连续稳定的摩擦面,磨损表现为典型的磨粒磨损。

三维五向碳/酚醛编织复合材料的拉伸性能及破坏机理

对不同编织角、不同体积含量的三维五向碳/酚醛编织复合材料进行了纵向(编织方向)拉伸实验和横向拉伸的对比实验,获得了这些编织复合材料的主要拉伸力学性能。实验后对拉伸试件的断口进行了照相和扫描电镜观察,分析了材料的变形及其破坏机理。实验结果表明:编织角仍是影响三维五向编织复合材料拉伸力学性能的主要因素,并且复合工艺的质量对复合材料的力学性能有重要影响。此外,发现三维五向碳/酚醛编织复合材料的横向拉伸与纵向拉伸具有完全不同的破坏机制。

用溶胶-凝胶法制备碳纤维三维编织物增强氧化铝基复合材料的研究

本文研究了溶胶－凝胶（Ｓｏｌ－ｇｅｌ）法制备碳纤维三维编织物增强氧化铝（Ａｌ２Ｏ３）基复合材料的成型工艺及其力学性能，研究了两种主要起始物Ａｌ（ＮＯ３）３、ＡｌＣｌ３配制的氧化铝溶胶对复合材料成型工艺和力学性能的影响。分别以Ａｌ（ＮＯ３）３和ＡｌＣｌ３为起始物，制备得到Ⅰ＃、Ｉ＃复合材料。研究表明，以Ａｌ（ＮＯ３）３为起始物配制的溶胶粘度较小，利于材料的致密化。经过溶胶浸渍、凝胶、裂解１３个周期后，Ⅰ＃材料的密度和室温三点弯曲强度分别为１．８６ｇ／ｃｍ３和１４５．２ＭＰａ，而ＩＩ＃材料的密度和室温三点弯曲强度分别为１．６３ｇ／ｃｍ３和１０４．１ＭＰａ，材料均呈典型的韧性断裂模式。用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）观察试样的断口形貌，发现断口表面有大量的纤维拔出，纤维表现了较好的增韧效果。

三维混杂碳纤维/芳纶纤维增强尼龙复合材料力学性能研究

制备了三维混杂碳纤维 /芳纶纤维增强尼龙复合材料 (HY/PA)并对其力学性能进行了测试。研究表明 :由于芳纶纤维的加入 ,使碳纤维增强尼龙复合材料 (CF/PA)的抗冲击性能有了显著提高 ,HY/PA的抗冲击强度随芳纶纤维体积分数的增大而有所提高 ;另外 ,HY/PA在改善CF/PA的横向剪切强度的同时 ,也改善了芳纶纤维增强尼龙复合材料 (KF/PA)的纵向剪切强度 ;同时 ,混杂效应对HY/PA的弯曲性能的影响最为显著 ,HY/PA的弯曲强度、弯曲模量均高于任一种单一纤维复合材料。

基于碳纳米线传感器的三维六向编织复合材料内部损伤定位

为研究三维编织复合材料的实时结构健康状态监控,针对三维六向编织复合材料编织结构,采用三维四步六向编织方法将碳纳米线传感器以轴向纱和六向纱形式嵌入复合材料中,提出了一种构建智能三维复合材料的方法,建立了基于碳纳米线的三维编织复合材料试件内部损伤监测系统。基于碳纳米线测量的电阻值矩阵,采用四分矩阵奇异值分解方法分析信号矩阵的主要特征,计算试件内部的损伤准确位置。实验采用5种不同类型损伤试件进行分析,结果表明,该方法计算的试件内部损伤位置与实际损伤一致,测量的损伤位置坐标误差小于1。该研究可为智能三维编织复合材料的健康监测发展提供理论基础。

三维编织碳/环氧复合材料的摩擦磨损性能研究

采用 RTM工艺制备了不同纤维体积比的三维编织碳 /环氧 (C3D/EP)复合材料。采用 MM- 2 0 0摩擦磨损试验机对其摩擦磨损特性进行了研究 ,并对 C3D/EP复合材料的磨损机理进行了分析。结果表明 ,纤维体积比、载荷和滑动速度对复合材料的摩擦系数和磨痕宽度均有明显的影响 ;C3D/EP复合材料的磨损机理主要为疲劳磨损和粘着磨损 ,当载荷或速度较小时 ,以疲劳磨损为主 。