自修复与阻燃功能一体化玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料的制备及性能

纤维增强环氧树脂基复合材料(FREPC)在实际应用中常因裂纹失效和燃烧破坏而受到限制。文中将自制的DA加合物(DOPO-FU-BMI)与糠胺(FA)配合,引入到环氧树脂DGEBA中,通过热压成型工艺制备了兼具自修复和阻燃双重功能的玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料。结果表明,DA加合物在复合材料中实现了均匀分布,提升了材料的热稳定性和玻璃化转变温度;复合材料通过动态可逆化学键的可逆Diels-Alder(DA)反应实现了裂纹的修复,当DA加合物质量分数为20%时,经2次“冲击-修复”循环后复合材料的强度保留率仍高达92.5%;同时,复合材料发挥了玄武岩纤维的阻燃特性优势,引入DA加合物后使其阻燃性能进一步增强,极限氧指数最高可达44.5%,较未改性复合材料提升25.4%。

桥梁工程中的纤维增强树脂基复合材料应用进展

为满足恶劣环境条件下现代化桥梁工程高质量建造所需材料的力学性能、耐腐蚀性及耐疲劳性等要求,基于纤维增强树脂基复合材料的优异性能,从公路桥、观赏桥、梁式桥以及超大跨度悬索桥等不同工况要求下的桥梁建设出发,总结了纤维增强树脂基复合材料的发展与应用现状。指出纤维增强树脂基复合材料在桥梁工程应用中仍存在应力损失、受风力影响大及回收处理难等弊端,并提出了主要的解决思路。

纤维增强树脂基复合材料在船舶领域的应用综述

纤维增强树脂基复合材料(fiber reinforced polymer,FRP)因其具有耐化学腐蚀和耐候性好等优异性能,其大面积使用能够实现船舶的高航速、低排放、远续航,进而成为现代造船的理想材料之一.文中主要从成型工艺、应用现状及其发展趋势三个方面对FRP在船舶领域的应用前景进行概述与分析.首先,基于对多类型船用FRP复杂制备工艺的概述,统计了最常用的船舶FRP性能参数及分析了各类型FRP的应用优势;然后,根据FRP在船舶上的不同应用场景,对其在船体制造的应用现状进行了详细概述.最后,依据现代船舶装备发展需求,从船舶制造技术发展方向、应用场景及结构化发展等方面对船舶FRP应用发展趋势进行了全面分析.

麻纤维增强改性环氧树脂复合材料声学性能研究

为验证麻纤维增强改性环氧树脂复合材料的声学性能,探讨植物纤维改性材料制备某类乐器的可行性,以亚麻、黄麻、苎麻等麻纤维材料为例,制备了几种不同麻纤维增强改性环氧树脂材料,以增强改性环氧树脂材料代替木材制作打击乐器,采用自由振动方法对打击乐器的声学性能进行测试。结果表明:黄麻、苎麻增强改性后的环氧树脂基复合材料声学性能各占优势,与一般的枫木相比力学性能更好,但综合声学性能尚无法达到天然枫木的水平。

玄武岩纤维增强复合材料拉挤圆管抗弯性能研究

为使玄武岩纤维增强复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)拉挤圆管在桥梁工程中得到更广泛地应用,对其抗弯性能进行试验及有限元分析。对2根长度为750 mm的BFRP拉挤圆管进行三点抗弯试验;采用LS-DYNA有限元软件对试验过程进行模拟,验证有限元模拟的正确性;在保持BFRP拉挤圆管总厚度不变的条件下,研究内、外层双向纤维布的铺设厚度和角度对抗弯性能的影响。结果表明:试件从加载至破坏分为线弹性阶段、下降阶段和残余阶段,试件破坏后残余强度较大且卸载后迅速回弹恢复几何形状;有限元模拟试件的荷载~滑移曲线、失效现象和试验结果吻合较好,有限元模拟正确;布置适量厚度的内、外层双向纤维布可以提高试件的抗弯承载力;将内、外层双向纤维布铺设方向由90°变为45°后,抗弯承载力进一步提高,随着外层45°纤维布厚度增加,破坏时的挠度下降。建议制作BFRP拉挤圆管时,布置适量厚度的双向纤维布,角度以45°为宜。

纳米颗粒填充玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能

为探究纳米颗粒[纳米氧化铁(NFe)、纳米二氧化硅(NS)、多壁碳纳米管(MWCNT)]填充玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(GFRP)的力学性能,对纳米颗粒质量分数分别为0.1%、0.2%、0.5%、1.0%的纳米颗粒/GFRP材料开展了拉伸、压缩、弯曲及冲击力学性能试验,并结合扫描电镜(SEM)分析了纳米颗粒的种类及质量分数对试件力学性能的影响规律。结果表明,随着纳米颗粒质量分数的增加,试件拉伸强度均先增大后降低,纳米颗粒的良好分散性及与树脂间的黏聚力能够提升试件的拉伸强度,但过量纳米颗粒的掺入会形成积聚现象,使得试件拉伸强度降低。相较于GFRP试件,掺入纳米颗粒的质量分数为0.1%、0.2%、0.5%和1.0%时,MWCNT/GFRP抗压强度的增幅分别为25.31%、36.04%、26.84%和27.25%,弯曲强度的增幅分别为58.74%、63.21%、40.89%及43.11%,纳米颗粒的掺入使得试件抗压强度、弯曲强度、冲击强度均得到改善,颗粒种类及质量分数的不同使得试件力学性能提升效果存在差异。SEM试验结果表明,外荷载作用下纤维出现断裂、分层现象,纤维与纳米颗粒间存在的摩擦效应增强其力学性能,颗粒的积聚使得试件力学性能降低。

玄武岩纤维增强复合材料力学性能的研究进展

玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)凭借优异的机械性能、热稳定性、耐化学性和耐酸碱腐蚀等优点被应用于航空航天、汽车、土木工程、建筑等各个领域,然而相比于玻纤和碳纤增强复合材料,国内外对BFRP的研究还较少,BFRP的力学性能仍有很大的提升空间。其中,基体与玄武岩纤维之间的界面结合性能对于提高复合材料的力学性能至关重要。综述了BFRP力学性能方面的研究现状,分析了纤维与基体界面结合性能对BFRP力学性能的影响,并总结了几种常见的增强BFRP中纤维与基体界面结合性能方法,以期对高性能BFRP的研究发展及高端应用提供参考。

纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程数值模拟研究进展

纤维增强热固性树脂基复合材料在高端制造领域应用广泛,其固化过程涉及树脂流动、固化反应发生、残余应力引发固化变形等多个步骤。数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料的工艺成型过程是一个多场耦合的复杂问题,建立完善的数值模拟方法用来预测其成型过程中的固化行为对于工艺类型选择、工艺参数设计和复合材料构件性能优化具有重要的理论与实践意义。本文归纳了数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程的主要研究进展,并讨论了不同数值模型的适用条件,通过分析同一问题不同模型的适用条件可以为复合材料固化工艺及参数设计的选择提供指导。提升精度和降低成本是数值模型迭代优化的主要研究方向。在此基础上,本文对数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程进行了总结,并认为未来可以从复合材料的树脂流动多尺度建模、机器学习与材料基因组方法在复合材料的构件优化设计中的应用和残余应力对复合材料的性能及使用寿命的影响等方面开展研究。

玄武岩纤维增强复合材料现状及发展前景研究

玄武岩纤维(BF)具有绿色环保、高强耐腐、隔音隔热等优点,广泛应用于各类玄武岩纤维复合材料(BFRP)的研发中。目前BFRP还存在制备工艺不足、产品质量不稳定、改性混掺工艺不足等问题,针对上述问题的研究缺乏系统性总结。为此,研究了当前BFRP的制备与生产工艺、增强机理及应用现状,总结并提出了BFRP的发展及应用困境,并给出了相应的建议和研究展望。研究表明:当前基于最优单掺纤维的BFRP不断应用于土建交通、石油运输、航空航天等领域中,并呈增长趋势;但高性能BF生产、纤维混掺、BF界面改性等新型BFRP制备工艺还存在生产成本高和成品质量不稳定等问题,制约了高性能低能耗BFRP研发;BFRP生产应用全过程的规范标准仍然不健全,限制了BFRP的推广应用。随着新工艺不断发展和高性能BF的陆续研发,BFRP性能将更优异、能耗更低,未来将是BFRP深度应用的时代。研究对于高性能低能耗BFRP的研发及应用具有一定参考价值。

考虑切削能耗和表面质量的碳纤维增强树脂基复合材料加工工艺参数优化决策

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)二次加工能耗与质量的影响要素相比于传统材料加工更为复杂,导致现有相关经验公式难以适用。基于此,以CFRP二次加工的切削力分析为切入点,对考虑能耗和质量的CFRP加工工艺参数优化决策问题开展研究。首先分析纤维方向角对CFRP加工形式的影响,推导了切削力模型;然后建立了以切削三要素和纤维方向角为变量,以切削能耗和表面粗糙度为目标的多目标优化模型,并提出了多样化突变驱动的粒子群优化算法(DM-PSO)与层次分析法(AHP)集成的工艺参数优化决策方法;最后通过铣削试验设计验证了上述模型和方法的可行性和优越性。

聚吡咯共轭结构对碳纤维增强树脂基复合材料热循环稳定性能的影响

为解决碳纤维增强树脂基复合材料(CFRPs)存在的碳纤维与基体间界面黏结性较弱和在热循环过程中因热膨胀系数不匹配而产生界面破坏的问题,通过低温聚合得到含有较多共轭结构的聚吡咯(PPy)对预处理后碳纤维(CF)进行表面改性,分别在0、30、60℃下制得碳纤维/聚吡咯复合纤维(PPy/CF),并研究了不同聚合温度下制备的CFRPs的界面结合性能、热膨胀性能和热循环稳定性能。结果表明:PPy/CF-0纤维的表面粗糙度与CF相比增加了2.09倍,这有利于树脂锚定在碳纤维表面,从而提高界面结合性能;并且PPy/CF-0纤维表面的聚吡咯层具有较完善的共轭结构,整体表现为负热膨胀系数,使得复合材料的层间剪切强度和界面剪切强度分别达到了CF的1.56倍和1.70倍;此外还使得CFRPs的热循环稳定性有了较明显的提升,经100次热循环实验后,其剪切强度仍能保持在初始数值的70%以上。

高性能纤维增强树脂基复合材料湿热老化研究进展

高性能纤维增强树脂基复合材料具有卓越的结构整体性及抗分层等特性,在诸多工业领域中具有广泛适用性。在其储藏及使用时,制件强度会不可避免地因湿热老化造成降解和退化。探讨和揭示高性能纤维增强树脂基复合材料在不同湿热老化环境下的力学响应,对其结构件的耐久性、安全服役性能和寿命预估具有至关重要的意义。综述了国内外高性能纤维增强树脂基复合材料湿热老化方面的研究进展,介绍了其吸湿机理以及在湿热环境下的老化机理。梳理了湿热老化环境对于高性能纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响,寿命预测模型等。最后指出了高性能纤维增强树脂基复合材料老化研究存在的问题、面临的挑战,对未来研究发展方向提出了展望。

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。

连续纤维增强树脂基复合材料绿色化技术的研究进展

连续纤维增强树脂基复合材料具有轻质、高强、性能可设计等特点,是航空装备轻量化不可或缺的重要结构材料。由于其主要采用热压罐成型技术制备,成型过程能耗高,热固性树脂回收利用难、成本高,难以满足低碳绿色发展的要求,因此开展可回收绿色复合材料、复合材料低能耗制造以及回收再利用等复合材料绿色化技术研究受到了越来越广泛的重视。笔者介绍了目前连续纤维增强复合材料绿色化技术的发展现状,并探讨了连续纤维增强复合材料绿色化技术的发展前景。

树脂基玻璃纤维增强复合材料防护设备生产工艺研究

防护设备是应用于防护工程口部用于堵截或衰减冲击波的设备。防护设备通常采用普通碳钢和混凝土材料制成,随着“四新”成果的转化运用,纤维增强复合材料、不锈钢、超高性能混凝土、POZD等新材料在防护设备上得到了推广,显著提升了设备的防护能力和使用性能。生产工艺是控制防护设备加工缺陷和决定产品质量性能的关键因素,传统材料的防护设备加工工艺较为简单,如:钢结构防护设备采用型钢和钢板组合焊接制成;混凝土防护设备采用将混凝土筑入钢筋骨架并养护成型的方法制成。设备材料调整变化后,将使生产工艺从原材料准备、生产设备、制造方法、加工环境和控制方法等多方面发生改变,传统加工方法不再适用,须专门研究新材料适用的生产工艺,充分发挥材料性能优势,确保设备生产质量满足要求。

桥梁工程用纤维增强树脂基复合材料的应用进展

随着工程技术的发展,纤维增强树脂基复合材料(FRP)在桥梁工程中的应用越来越广泛。本文综合分析了FRP在桥梁工程中的应用优势、存在的问题,以及优化对策。FRP以其高强度、轻质特性和优异耐腐蚀性能,成为桥梁材料的理想选择,尤其在延长桥梁使用寿命和降低后期维护成本方面显示出巨大潜力。然而,FRP的初期成本较高,且在耐久性和老化问题方面存在挑战。此外,工程设计和施工过程中的经验不足也是制约其广泛应用的因素。为了优化FRP在桥梁工程中的应用,本文建议进行成本效益分析的优化,综合改良材料属性,并优化设计方法。同时,加强工程技术人员的培训和经验分享,以提升设计和施工的专业水平。通过这些措施,可以更好地发挥FRP材料在桥梁建设中的优势,同时克服现有的挑战。

纤维增强热塑性复合材料与金属连接技术的研究进展

纤维增强热塑性复合材料(FRTP)与金属的连接技术是多材料异质结构的关键制造技术。总结了纤维增强热塑性树脂基复合材料相对于传统金属材料的性能优势,分析了FRTP与金属连接技术的重要性和必要性,系统回顾了胶接、机械连接、混合连接和焊接四大类FRTP/金属连接技术的特点和发展,最后对未来FRTP/金属异质结构连接技术的发展、接头性能的改善提出了展望。

硅烷偶联剂改性对玄武岩纤维增强乙烯基酯树脂复合材料力学性能的影响

为改善玄武岩纤维与乙烯基酯树脂的界面结合性能,分别采用质量分数为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的硅烷偶联剂KH550、KH560、A171对玄武岩纤维进行改性,采用模压成型工艺制备玄武岩纤维增强乙烯基酯树脂复合材料。利用扫描电子显微镜、红外光谱仪和万能试验机等对玄武岩纤维的表面微观形貌和化学结构以及复合材料的力学性能进行测试与分析。结果表明:经质量分数为1%的硅烷偶联剂KH550、KH560、A171改性后的玄武岩纤维和乙烯基酯树脂的界面结合最好,经改性后的玄武岩纤维增强复合材料相比于未改性的弯曲强度分别提高了16.71%、14.96%、13.59%;冲击强度提高10.13%、8.84%、7.41%。综合考虑实验结果,3种硅烷偶联剂对复合材料的改性效果从大到小依次为KH550、KH560和A171。

基于玄武岩纤维的功能化复合材料的研究进展

玄武岩纤维(BF)作为一种低成本、高性能的天然纤维已被列为21世纪中国新兴战略资源,也是制备先进复合材料的基础。在玄武岩纤维的实际应用中,纤维自身的性能以及在复合材料中的界面行为等是影响最终制品性能的关键因素。本文阐述了BF的化学组成,并探讨了组成对BF力学性能的影响。重点关注了BF的应用,详细介绍了BF的表面改性及力学增强。此外,从纤维的表面功能化改性、第三相功能粒子的添加以及BF自身性能的应用等几个方面总结了BF在电磁波防护、水处理、催化、抗菌及能源领域的研究进展。最后指出了BF复合材料目前存在的主要问题,并对未来的研究方向做出展望。

APP-MCA-CFA三元复配阻燃体系改性环氧树脂基玻璃纤维复合材料及性能研究

首次以聚磷酸铵(APP)为酸源和主阻燃剂,以高氮含量的三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)为气源,以大分子型三嗪成炭剂(CFA)为炭源,组成APP-MCA-CFA三元复配阻燃剂体系。将其用于环氧树脂体系的阻燃改性,通过极限氧指数(LOI)、垂直燃烧等级、锥形量热、扫描电镜(SEM)、热失重分析(TG)和动态力学分析(DMA)等实验分析了它们之间的协同效应。结果表明:与单独使用APP阻燃剂相比,三元复配阻燃剂体系(20%APP-5%MCA-5%CFA,均为质量分数)表现出显著的协同阻燃效应,LOI值提升至62.0%,热释放速率峰值(PHRR)降低至401kW/m^(2),总热释放量(THR)下降至37.3MW/m^(2)。成炭分析结果表明,APP-MCA-CFA三元复配阻燃剂体系的引入使环氧树脂在高温下形成孔洞直径约5μm的形貌均一且规整的微米级膨胀炭层。DMA实验表明MCA和CFA可以通过粒子表面的胺基参与环氧固化反应,提高环氧固化交联密度,在一定程度抵消APP阻燃剂粉体加入导致的环氧机械性能下降。APP-MCA-CFA三元复配阻燃体系可用于环氧树脂基玻璃纤维复合材料的阻燃改性,垂直燃烧等级提升至UL-94 V0级,LOI值提升至66.3%。该研究为开发综合性能优异的阻燃环氧树脂基复合体系提供了一种简单易行的途径。