碳纤维三向织物/环氧树脂复合材料的制备与力学性能

选择不同纱线间距[即二经(纬)纱之间的中心距]尺寸的碳纤维三向织物,采用热压成型技术制备了碳纤维三向织物/环氧树脂复合材料.研究了纱线间距及样品裁剪角度等对力学性能的影响,并与碳纤维二向织物/环氧树脂复合材料的力学性能进行对比.结果表明,随着纱线间距尺寸从2 mm增加到6 mm,0°方向断裂强度从221.7 MPa下降到148.1 MPa,撕裂强力从1000 N下降到600 N;90°方向断裂强度从50.0 MPa下降到22.1 MPa,撕裂强力从330 N下降到100 N;顶破强力从424 N下降到216 N.这些力学性能的逐渐降低是单位面积的碳纤维增强体含量减少和织物的孔洞增大共同作用的结果.纱线间距为2 mm的碳纤维三向织物复合材料在0°(以纬纱为基准),30°,45°,60°和90°方向的断裂强度分别为221.7,48.5,44.3,227.7和50.0 MPa,即断裂强度在0°和60°方向大于在30°,45°及90°方向.由三向织物的编织原理可知,0°与60°方向完全相同,因此其断裂强度相似,且样品中有一组纱线与外加载荷平行,对形变破坏具有一定的约束作用,而30°,45°和90°方向样品中三组纱线所在的方向均和外加载荷存在一定的夹角,有效分散外加载荷的能力减弱.对比碳纤维三向织物/环氧树脂复合材料与碳纤维二向织物/环氧树脂复合材料的断裂强度、撕裂强力和顶破强力发现,前者的综合性能明显优于后者,碳纤维三向织物/环氧树脂复合材料的断裂强度、撕裂强力、顶破强力分别为221.7 MPa,1000 N和424 N,三向织物的优势得到凸显,为后续制备多种类型的碳纤维三向织物复合材料及应用奠定了基础.

碳纤维织物/环氧复合材料油润滑下摩擦学性能

采用半干法制备碳纤维织物增强环氧树脂基自润滑复合材料,研究钢背衬复合材料与45钢在环-环端面浸油润滑状态下的摩擦学特性,考查载荷、速度和碳织物类型对复合材料摩擦磨损性能的影响,并采用扫描电子显微镜对复合材料及偶件磨损表面进行观察与分析.结果表明:轻载高速启动可显著提高单向碳织物/环氧复合材料的摩擦磨损性能,边界润滑状态下的碳织物/环氧复合材料主要表现出黏着磨损特性,对偶钢环上出现的网状转移膜大大改善了材料的摩擦学性能;平纹碳织物/环氧复合材料因表面织物纹理使得润滑油能深入到摩擦表面各区域,在重载下表现出较低的摩擦系数.

三维织物间隔复合材料的力学性能

三维织物间隔复合材料是一种由垂向机织物连接两个平行织物平面的三维机织间隔复合材料,具有整体性好、可设计性强等特点。以玻璃纤维、碳纤维为原料,对三维间隔织物的结构进行设计,制备三维织物间隔复合材料,研究材料在平压和三点弯曲载荷作用下的力学特性,并分析纤维种类、夹芯层间距等结构参数对材料压缩、弯曲性能的影响。结果表明:随着夹芯层间距的增加,材料的压缩强度逐渐降低;材料的弯曲强度也逐渐降低,且纬向弯曲强度大于经向;采用碳纤维与玻璃纤维分别作为纬纱进行织造,前者制备的复合材料的压缩和弯曲强度均高于后者。

碳纤维复杂结构机织物的设计与研制

以高性能T300-6K碳纤维丝束为主要原料、以软质PVC涤纶线为辅助材料,通过合理设计接结双层结构、间隔结构、正交结构、夹芯层结构机织物的经向剖面示意和组织图,参照相似产品进行工艺参数设计,再结合织造前对碳纤维丝束进行上浆处理,搭建承载经纱的辅助平台使一定宽度的经纱平顺通过综眼、筘齿,最终在半自动小样织机上得到了碳纤维复杂结构机织物。织造工艺及关键技术的优化为碳纤维复杂结构机织物的规模化生产提供了数据支撑与参考。

碳纤维体积含量对碳玻混复合材料性能的影响

为研究不同碳纤维体积含量对复合材料力学性能的影响,以环氧树脂为基体,制备了不同混杂比的碳纤维-玻璃纤维(碳玻)层间混编织物复合材料,研究了不同碳纤维体积含量的碳玻混杂复合材料的拉伸性能、压缩性能及其破坏形貌。0°拉伸试验表明,混杂层合板的拉伸强度与模量及碳纤维的体积含量均呈正相关,0°拉伸强度最高可以达到899.92 MPa,模量最高可以达到73.58 GPa。在混杂纤维中,适当提高碳纤维体积含量,能有效提高复合材料的拉伸模量,混杂复合材料的拉伸失效方式主要为边缘剥离断裂。0°压缩试验表明,混杂层合板压缩强度最低值为552.56 MPa,最高可以达到603.16 MPa。碳纤维的体积含量每增加2%,0°压缩模量提升约6%。在90°拉伸试验中,碳玻混杂层合板较玻纤层合板的拉伸模量有小幅下降,拉伸强度基本不变,模量最大下降幅度为7.81%,拉伸强度最低为51.48 MPa。碳纤维的体积含量对混杂层合板的拉伸模量基本无影响,均约为12.10 GPa。

薄层碳纤维织物预浸料的制备与性能

通过超声波扩展技术将T700-12K碳纤维扩展成20mm宽,然后利用全自动编织机编织成平纹布,最后采用后浸渍法中的胶膜法制备高性能YPH-69/T700和SZ-125/T700的织物预浸料。预浸料的单位面积纤维质量为(80±3)g/m^2,单层固化厚度为(0.080±0.015)mm。通过模压工艺制备层合板测试力学性能,结果表明:利用SZ-125树脂制备的层合板比用YPH-69树脂制备的层合板力学性能好,与树脂的性能密切相关。同时用abaqus软件建立有限元模型,研究在拉伸、压缩载荷下复合材料层合板的应力分布,模拟结果与实验过程中断裂位置相符。

CNT纳米碳填料含量对航天用EP/CFDSF材料性能的影响

研究了在环氧树脂(EP)中同时加入碳纤维双层间隔织物(CFDSF)与酸化碳纳米管(CNT)来提高EP强度的相关作用机理,探讨CNT对EP/CFDSF/CNT电学特性的影响。结果表明,当改性CNT的含量逐渐上升后,材料的缺口冲击测试强度与弯曲强度都呈现先增大后减小情况。在加入2. 5份后,材料达到最大的缺口冲击强度与弯曲强度。此时的断面形成了凹凸不平的结构,断裂后的CF也存在明显的参差不齐现象。当基体中的改性CNT含量增大后,材料的体积电阻率都出现了下降的趋势。在较低的CNT含量下,CNT相互间处于一种分离状态,无法为电子移动提供连接通道,当CNT含量继续上升至2. 5份时,试样体积电阻率大幅减小。

新型碳纤维复合材料纸节省了树木

在加州Anaheim举办的美国2003年复合材料展览会和美国复合材料制造商协会(AMCA)会议上，CFRP手提琴创造了优美的音乐，并赢得了“最佳演出”的殊荣。

三维间隔机织物的设计及织机开发

以碳纤维矩形截面间隔机织物为研究对象,介绍其织物结构、织造过程及原理,并进行织机的开发,为三维间隔机织物复合材料的开发、预成型件织造及织机的开发提供参考依据。

混杂纤维复合材料性能研究

对碳纤维织物、玻璃纤维织物和芳纶织物的性能进行测试,采用热熔法分别制备了一种增韧中温固化环氧碳纤维织物预浸料、玻璃纤维织物预浸料和芳纶织物预浸料。预浸料以单种预浸料铺层和不同纤维织物预浸料混合铺层方式铺贴组合,通过模压法成型复合材料层合板,进行性能测试并对比。结果表明,增韧中温固化环氧树脂的不同纤维织物预浸料混合铺层成型的层压板力学性能可以根据铺层设计优化,并不损失不同纤维铺层之间的界面性能。

中空双层壁织物研制

中空双层壁织物是一种新型高性能织物。作为一种新型轻质复合材料增强体,可以应用于航空,航天,国防等特殊领域,也可以应用于船舶,车辆,建筑,风力发电,石油化工等民用领域。本次研究以研制中空双层壁织物为目的,选取涤纶纤维、碳纤维、玄武岩纤维为原料,仿照长毛绒织造的固结方式,分别织造了几种中空双层壁织物。并在每次织造过程中对织造方法,工艺进行改进,最终织造出稳定性很高的中空双层壁织物。中空双层壁织物的研制成功,必将开创一个新的纺织品应用领域。

形状记忆环氧树脂及其四枚缎纹碳纤维织物增强环氧树脂的动态力学性能

采用动态力学分析仪对研制的形状记忆环氧树脂(Shape memory epoxy polymer,SMEP)及三种四枚缎纹碳纤维织物增强环氧树脂复合材料的动态力学性能进行了测试,测出了玻璃化转变温度Tg、储能模量E和损耗角正切值tanδ。试验表明,SMEP及四枚缎纹碳纤维织物增强环氧树脂复合材料均有显著的相变力学行为特征,相变前后E差异超过一个量级,表明其具有良好形状记忆能力。在SMEP中植入碳纤维织物增强复合材料会导致Tg和tanδ降低,而E显著增强;对同一种编织物的形状记忆复合材料经向和纬向的Tg和tanδ基本相同,但E相差较大。

新型高效钢背/自润滑复合材料衬层结构传动螺母

为克服传统传动滑动螺旋副摩擦因数大、效率低的缺点,提出一种带衬层螺母的创新方案:螺母以钢为基体,衬层为碳纤维织物增强聚合物自润滑复合材料,兼有高的承载能力和低的摩擦因数。研究自润滑复合材料的配方、制备工艺、减摩机理和摩擦学性能。衬层表面的织构形成微润滑池,固-液协同润滑改善了重载下的润滑效果;衬层采用成形加工并在表面形成润滑油道,进一步改善了润滑条件。开发了新型螺旋副的制备工艺并研制了630 kN压力机实用螺母,测试表明,新型螺母较ZCuSn10Pb1青铜螺母的工作性能有较大提高,重载条件下复合材料螺母摩擦因数降低了21.2%,而传动效率提高了10.6%。新型螺旋副的开发,不仅解决了伺服压力机的发展的一个瓶颈问题,而且对于所有采用螺旋传动的机械装备都具有重要的意义。

EP/CFDSF/CNTs复合材料的力学性能和电学性能

采用浓硝酸和浓硫酸改性碳纳米管(CNTs),然后以环氧树脂(EP)为基体、碳纤维双层间隔织物(CFDSF)为增强体制备了EP/CFDSF/CNTs复合材料,研究了改性CNTs含量对EP/CNTs和EP/CFDSF/CNTs复合材料力学性能及电学性能的影响。结果表明,随改性CNTs含量增加,两种复合材料的弯曲强度和缺口冲击强度均先升高后降低,当改性CNTs的含量为2.5份时,两种复合材料的力学性能最好,EP/CFDSF/CNTs复合材料的弯曲强度和缺口冲击强度分别为145.18 MPa和18 kJ/m^2,分别较EP/CNTs复合材料提高了12.5%和18.4%。随改性CNTs含量增加,两种复合材料的体积电阻率降低,当达到渗滤阈值即改性CNTs的含量为2.5份后下降明显,EP/CNTs复合材料的体积电阻率为25.9Ω·cm,而EP/CFDSF/CNTs复合材料的体积电阻率为20.85Ω·cm。

基于原位生长CNTs/CFF/EP层状复合材料的成型工艺

通过对CNTs/EP(CNTs为碳纳米管,EP为E54环氧树脂)二元体系进行差热(DSC)及恒温流变性能的分析,以及对以表面原位生长CNTs的碳纤维织物(CFF)为增强相、环氧树脂为基体复合材料(CNTs/CFF/EP)的密度、力学性能的分析,获得采用热压法制备含碳纳米管的CNTs/CFF/EP三元层状复合材料的合理工艺参数,并研究加压时间对复合材料性能的影响。结果表明:当预热温度为150℃、预热保温约60 min后加满压、热固化温度为195℃的条件下可制得表面无缺陷、致密度为97.3%-98%的CNTs/CFF/EP三元复合材料;原位生长CNTs的引入,可使复合材料的层间剪切强度提高52%、抗弯强度提高26%;加压时机的提前及延迟均会不同程度地降低复合材料的力学性能。

CNTs添加量对航空航天用EP/CFDSF复合材料性能的影响

研究了在环氧树脂(EP)中同时加入碳纤维双层间隔织物(CFDSF)与碳纳米管(CNTs)来提高EP强度的相关作用机理,探讨CNTs对EP/CFDSF/CNTs电学特性的影响。研究结果表明,随着CNTs含量的不断增加,试样的弯曲强度与冲击强度均发生了先增大后降低的现象,EP/CFDSF复合材料的力学性能明显高于EP材料。当CNTs的添加量为2. 5份时,EP/CFDSF试样的冲击强度和弯曲强度测试值达到最高,依次为18. 1 k J/m^2和146. 5 MPa,比纯EP材料的强度显著提高。不含CNTs时复合材料断面具有平整的微观形貌;添加了2. 5份CNTs的试样断面区域表现为明显的凹凸变化特点。随着CNTs添加量的增加,试样的电阻率明显下降,2. 5份CNTs的两种试样体积电阻率分别为19. 6Ω·cm和14. 8Ω·cm。

石墨烯又有新突破用于制造碳纤维复合材料原型件

最近,位于英格兰东北部的Thomas Swan公司扩大了其Elicarb石墨烯材料的应用范围,将其用于碳纤维复合材料原型品的制造。在单向碳纤维织物上的初步测试结果令人欢欣鼓舞。向环氧树脂中添加质量分数1%的Elicarb石墨烯材料,所制造的碳纤维层压板的弯曲强度和模量获得了提高。这一发现激励Thomas Swan公司开展进一步的研究,制造出了商用碳纤维预浸料。这些原型品的制造是与有经验的第三方合作完成的。