碳纤维编织网与聚丙烯水泥基复合材料加固圆柱轴压试验

完成了14个基于碳纤维编织网与聚丙烯纤维水泥基复合材料加固圆柱的轴压性能试验,得到了各试件的极限承载力与破坏形态,测得了各试件平均压应力-混凝土应变曲线、平均压应力-碳纤维编织网应变曲线及各试件极限承载力柱状图,分析了加固层水泥基复合材料中聚丙烯纤维含量、碳纤维编织网包裹层数及网格大小等参数对试件轴压性能及破坏机理的影响。试验结果表明:采用碳纤维编织网与聚丙烯纤维水泥基复合材料加固圆柱可明显提高其极限承载力;试件主要破坏形态为纵向压劈破坏,脆性破坏特征明显;加固层少量聚丙烯纤维含量(质量比0.05%,0.15%,0.25%)的改变对试件承载力的提高不明显;在一定范围内试件承载力随碳纤维编织网包裹层数的增加而提高;相比于2 cm网格碳纤维编织网,1 cm网格碳纤维编织网对试件承载力的提高效果更好。

环境温度对二维编织SiC/SiC复合材料拉伸性能的影响研究

为了研究环境温度对陶瓷基复合材料拉伸性能的影响,在室温和800℃,1000℃,1200℃惰性气体保护环境下开展了二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸试验。采用数字图像相关技术采集了高温环境下试件的变形数据。通过光学显微镜和扫描电子显微镜拍摄了试件的断口形貌。结果表明:800~1200℃内,二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸应力-应变响应同样具有明显的双线性特征,初始线性段的弹性模量与室温测试结果相近,高温环境下第二线性段弹性模量低于室温环境;800~1200℃惰性气体环境下材料拉伸强度较室温环境低20%左右;温度主要影响材料中纤维与基体的结合状态和SiC纤维的强度。一方面,温度越高断口纤维拔出情况越严重;另一方面,温度越高SiC纤维强度越低,二维编织SiC/SiC复合材料强度也有所下降。

考虑编织角动态变化的3维编织碳/碳复合材料高温剩余刚度模型

为研究3维编织碳/碳复合材料在高温环境下的疲劳特性,建立了一种编织角与循环数相关的编织角动态变化模型,将其引入考虑温度的单向复合材料剩余刚度模型中,根据应力、编织角的变化以及温度等因素的影响,建立了3维编织复合材料高温疲劳剩余刚度模型。在700℃的大气环境下,对添加抗氧化涂层的3维编织碳/碳复合材料进行了拉-拉疲劳试验,获取了剩余刚度、剩余强度以及试验段长度等参量。结果表明:在700℃下3维编织碳/碳复合材料在拉-拉疲劳加载初期的剩余刚度显著提高,然后保持稳定,在接近疲劳寿命时突降;剩余强度经105循环后比初始强度提高了19.75%;在疲劳过程中的迟滞回线面积随着循环数的增加逐渐增大;高温剩余刚度模型对700℃下剩余刚度试验数据拟合度较高,且通过编织角动态变化模型求得的不同循环数下编织角模拟值与试验值的误差小于5%。

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。

三点弯曲工况下编织碳纤维复合材料方管的材料特性研究

在汽车碰撞产生的弯曲载荷下,复合材料安全构件应具有抵抗变形和耗散碰撞能量的能力。为确定三点弯曲工况中编织碳纤维复合材料薄壁梁的渐进损伤材料模型力学参数,开展了编织碳纤维复合材料力学特性试验和编织碳纤维复合材料方管三点弯曲试验,获得了该材料的基本力学参数、弯曲失效历程及力-变形特性。进而分析了渐进损伤材料模型中各非试验参数对仿真结果的影响,讨论了多层壳建模方法的有效性。通过与试验结果的对比,获得了复合材料渐进损伤模型的非试验参数和有效的仿真建模方法。获得的材料特性可用于该材料结构在相似工况中的碰撞仿真分析。

连续碳纤维/聚酰胺6混编织物复合材料的成型及性能研究

为了改善碳纤维/聚酰胺6织物复合材料界面的结合状态,提高复合材料的力学性能,通过混编的方式制备了碳纤维/聚酰胺6预制体,混编织造前碳纤维经500℃-2 min高温处理后浸泡在1wt%浓度的PA 845H-TDS-CN上浆液中20 s,最后将预制体通过热压成型,制备碳纤维织物/聚酰胺6复合材料。采用TGA、DSC、SEM、万能拉伸试验机分析碳纤维/聚酰胺6复合材料的热性能、晶型变化、微观形貌及力学性能。结果表明,聚酰胺6树脂主要以α晶型存在,结晶较为完善。纤维拔出后,单根碳纤维表面附着部分尼龙基体,碳纤维与尼龙基体形成了良好的界面层。优化后的层合板工艺为:铺层数10层,热压温度240℃,热压压力3 MPa,热压时间15 min。此工艺下,复合材料平均拉伸强度达到了825 MPa,弯曲强度平均值达到了520 MPa。

N,N-二甲基乙酰胺溶胀解离回收碳纤维增强环氧树脂复合材料

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)中的脆性玻璃态环氧树脂会将碳纤维紧密包裹,导致机械回收法获得的粉末或短纤维利用价值较低。针对这一难题,通过树脂溶胀原理将CFRP中的玻璃态环氧树脂转变为高弹态环氧树脂,显著改善了CFRP的力学解离性能。结果表明,CFRP中的环氧树脂可以在120~160℃的N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)中快速溶胀,对应溶胀率为51.57%~59.71%。因溶胀作用环氧树脂基体过度膨胀和碎裂,导致CFRP解离为易于机械裁切的碳纤维薄层。碳纤维薄层通过裁切、烘干、热压成型工艺被重新制备成力学性能优异的CFRP。新制备的CFRP弯曲强度可达到原始CFRP板的76.38%~90.98%。同时DMAC化学性质稳定,可循环回收利用。

二维编织碳纤维增强复合材料管件耐冲击性能研究

对碳纤维复合材料管件进行耐冲击性能测试,分析并讨论了编织节距等参数对碳纤维增强复合材料关键的耐冲击性能影响。结果表明,增强体碳纤维本身表现出的脆性大,使得复合后管件的耐冲击性能表现不明显;节距越小,纱线交织紧密,成为有机的一个整体,耐冲击性能越好。

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。

针刺二维编织复合材料的弯曲性能实验研究

当下二维编织复合材料应用广泛,特别是在特定的结构件上,这主要是二维编织拥有较好的一体性,但是与三维编织等其他材料相比,二维编织复合材料的层间连接性并不突出,将针刺工艺引入二维编织复合材料,并对30°、40°、50°、60°编织角的复合材料的弯曲和短梁弯曲性能进行考察,结果显示:针刺工艺确实增强了复合材料的层间强度,其中提升最明显的属于50°编织角的二维编织双轴针刺复合材料,层间剪切强度提升了24.56%,并且针刺对于双轴二维编织复合材料层间剪切强度的提升要优于二维编织三轴复合材料,但是针刺工艺也让复合材料的部分面内性能有所下滑。二维编织复合材料随着编织角度的增加复合材料的弯曲和层间剪切强度等性能都会有所下降,其中性能最好的属于30°编织角的二维编织复合材料,三轴30°编织复合材料弯曲强度和模量达到了595.49 MPa、23.41 GPa,与三轴60°编织角的复合材料相比,强度和模量分别提升了103.1%和67.9%。

“口”字形碳纤维/铝复合材料的制备及力学性能

为实现汽车轻量化,提高汽车安全系数,以碳纤维、铝板为增强材料,环氧树脂为基体,采用真空导入成型工艺制备超混杂三维编织“口”字形碳纤维/铝复合材料,研究了所制备复合材料的弯曲和冲击性能,分析“口”字形编织及铝板对复合材料力学性能的影响。结果表明:采用“口”字形编织,解决了纯碳纤维树脂基复合材料韧性差的问题,在减轻质量的同时使得复合材料挠度增大,冲击强度提高16.64%;在编织时加入铝板,复合材料承受弯曲载荷提高26.02%,冲击强度在“口”字形编织的基础上再提高23.53%。

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。

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。

纤维编织结构对碳纤维增强碳化硅复合材料热膨胀和热扩散系数的影响

分别采用热膨胀仪和激光脉冲热导仪测量了2维、2.5维和3维纤维编织结构的碳纤维增强碳化硅(carbon fiber reinforced silicon carbide,C/SiC)复合材料从室温到1400℃温度范围内纵向和横向热膨胀系数,以及厚度方向的热扩散系数。用扫描电镜、光学显微镜观察了样品的微结构。结果表明:低温段(700℃以下),3种C/SiC的纵向和横向热膨胀系数均随温度的升高而缓慢增大,并在700℃之后出现不同程度的波动;高温段(700℃以上),它们的纵向热膨胀系数和2维C/SiC的横向热膨胀系数随温度的升高而减小,而2.5维和3维C/SiC的横向热膨胀系数则随着温度的升高而迅速增大。三者厚度方向的热扩散系数均随温度的升高而减小,3维C/SiC的热扩散系数最大,分别是2.5维C/SiC和2维C/SiC的1～1.2和1.4～2倍。

3D编织碳纤维复合材料的制备及其屏蔽性能的研究

用三维五向3D编织技术和模压成型工艺制备了碳纤维增强环氧树脂基电磁屏蔽复合材料,测试结果表明,三维五向编织结构可形成良好的导电网络,基于该结构制成的碳纤维复合材料屏蔽效能最高可达85dB,编织体整体化学镀镍可使材料的屏蔽效能提高约15dB,镀镍后的复合材料在14kHz～18GHz频段内具有较高的屏蔽效能,最高可达95dB。同时发现,该材料的屏蔽性能显示各向异性,这与编织体的纤维取向和电磁波的极化方向有关。

冷等离子体处理对碳纤维缝编织物/环氧复合材料界面性能的影响

采用冷等离子体对碳纤维缝编织物进行表面处理 ,并采用XRD对处理前后的碳纤维表面结构进行了分析 ,研究了冷等离子体处理对浸润性以及碳纤维缝编织物 /环氧复合材料的层间剪切强度的影响。实验结果表明 ,冷等离子体处理提高了碳纤维表面活性、浸润性 ,从而改善了碳纤维缝编织物 /环氧复合材料的界面粘结性能 ,进而改善了复合材料的界面性能。

碳纤维编织复合材料拉伸变形测量及声发射监测

采用声发射和数字图像相关互补技术,结合破坏断口微结构特征,研究碳纤维编织复合材料的损伤变形与失效机理。在复合材料试件拉伸加载的同时,实时获取变形特征和损伤声发射信号,分析复合材料力学响应与位移场、声发射特征的关系。结果表明,复合材料试件实时拉伸位移场、损伤破坏过程的声发射相对能量、撞击累积数及幅度等特征参数反映了复合材料表面变形与内部损伤演化过程。复合材料试件断裂时出现较多高持续时间、高幅度、高相对能量的声发射信号,宏观断口平齐,表现为脆性断裂。

热固性碳纤维编织复合材料C形结构隔膜成型工艺

详细介绍了热固性碳纤维编织复合材料C形结构的热隔膜成型工艺。测量了CYCOM970/PWC-T300预浸料在60~120℃不同温度下的滑动摩擦系数。采用烘箱固化和热压罐固化两种方式,进行了热隔膜预成型体的固化试验。通过对试件进行三维激光扫描,得到了C形结构隔膜成型体的厚度、回弹大小分布规律以及滑移角的大小。通过对截面进行扫描,得到了成型试件的孔隙率。

碳纤维三维编织预制体渗透特性实验研究

针对航空发动机风扇机匣用碳纤维三维编织复合材料,开展了预制体材料渗透特性的实验研究。实验模具为厚度可调的长方体中空结构。通过分析液体在厚度和孔隙率不同的4种三维编织预制体内的渗透过程,结果表明,所有预制体在面内的渗透主向与编织的轴/横向平行,且轴向渗透率约为横向渗透率值的3.2倍。液体在A预制体内的渗透性最好,其轴向、横向和厚度方向的渗透率值分别为1.136×10^(-10)、4.259×10^(-11)和5.900×10^(-12)m^(2),厚度方向上的渗透率远小于面内渗透率,差距在1~2个数量级。液体在预制体内3个方向上的渗透是相互影响的过程,预制体厚度方向上的渗透特性影响了面内的渗透特性。

三维编织碳纤维复合材料剪切性能研究

本文采用短梁三点弯曲试验法,研究三维四向、五向编织碳纤维复合材料的剪切性能、剪切破坏过程及其破坏模式。结果表明:三维五向较三维四向编织复合材料剪切性能好;三维编织复合材料剪切强度沿长度方向随着编织角的减小而增加;切边三维编织复合材料试件受剪切破坏时在加载点附近侧表面裂缝沿纱线走向分布,上下两表面发生弯曲破坏,离开侧表面2 mm后内部纵向截面上下表层发生弯曲破坏,其它部位未发生剪切破坏。