碳纤维/环氧树脂基复合材料增韧改性研究进展

为改善碳纤维/环氧树脂基复合材料的脆性断裂问题,常通过树脂增韧和纤维改性等方式实现。本文从树脂改性、界面改性及结构设计3个方面综述了碳纤维增强环氧树脂基复合材料的研究进展。其中树脂改性主要有纳米材料改性、橡胶弹性体改性及热塑性树脂改性增韧等方式,通过增加填充粒子与树脂基体间键合来提高环氧树脂的韧性;界面改性主要是碳纤维表面改性,通过增加碳纤维表面活性官能团或多尺度进行表面改性,增强碳纤维和环氧树脂之间的界面结合性能,达到复合材料增韧的效果;复合材料结构设计主要是设计纤维铺层角度、厚度、结构,通过结构优化来增强复合材料的韧性。最后分析了3种改性方式存在的问题,并指出3种方式结合使用是未来复合材料改性的研究方向。

碳纳米管基体改性碳纤维增强环氧树脂基复合材料的性能研究

为研究碳纳米管(CNTs)对碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CF/EP复合材料)性能的影响,采用超声共混的方式将CNTs引入到CF/EP复合材料基体体系中,制备CNTs基体改性碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CF/EP-CNTs复合材料)。对两种复合材料的黏弹性能、热稳定性能、弯曲性能和耐疲劳性能进行测试。结果表明40.0℃时CF/EP-CNTs复合材料的储能模量E′值较CF/EP复合材料提高了16.1 GPa,Tg值略有降低;CF/EP-CNTs复合材料开始热降解的温度较CF/EP复合材料低,热稳定性略有下降;CF/EP-CNTs复合材料的弯曲强度和弯曲模量比CF/EP复合材料分别提高了6.3%和15.9%;经40000次弯曲疲劳后,CF/EP-CNTs复合材料的弯曲强度保持率和弯曲模量保持率高达90.7%和93.8%。

湿热环境对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料力学性能的影响

对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料进行湿热老化实验,通过质量变化、老化前后表面形貌、红外光谱、动态力学性能,层间剪切和压缩实验,研究3.5%(质量分数,下同)NaCl溶液和去离子水两种介质分别在70℃下溶液浸泡对碳纤维/环氧树脂基复合材料力学性能的影响。结果表明:T800碳纤维/环氧树脂基复合材料在去离子水和3.5%NaCl溶液中的吸湿率相对较低,分别为0.82%和0.67%;未老化试样纤维与基体之间黏结良好,在3.5%NaCl溶液老化后纤维与基体界面破坏相比去离子水中老化更严重;经去离子水中浸泡后剪切强度降低8.8%,压缩强度降低4.3%;在3.5%NaCl中浸泡后剪切强度降低10.1%,压缩强度降低4.7%。在两种溶液老化后试样的T g降低,但相差不大。此次研究结果对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料在腐蚀环境中的应用提供了依据。

碳纤维/环氧树脂单向复合材料的吸湿残余应力研究

对碳纤维增强环氧树脂基(CFL/EP)单向复合材料在湿热环境下吸湿残余应力进行了研究。首先,采用ABAQUS有限元软件计算了环境温度T=37℃及T=80℃条件下随时间变化的材料中水分分布,该结果和材料吸湿实验结果吻合较好,同时也发现碳纤维随机分布模型能更好地模拟复合材料吸湿行为;随后,根据获得的水分分布对随时间变化的吸湿残余应力进行了研究。结果表明:树脂基体长时间吸湿导致的残余应力能够达到很高的水平(30MPa以上),其中纤维间距较小的基体区域以及基体和纤维界面处的应力水平明显高于其他区域,而在界面处应力值最高。这种高水平的残余应力在吸湿、脱湿循环下可能导致材料发生疲劳损伤及失效。

重频激光作用下碳纤维/环氧树脂复合材料热损伤规律

运用热化学分析、扫描电子显微技术等手段,分析了碳纤维增强环氧树脂基复合材料在ms量级重频激光辐照下的损伤形式,研究了峰值功率密度、辐照时间、重复频率和脉冲宽度等对复合材料烧蚀规律的影响。研究结果表明:在激光辐照过程中,复合材料树脂基体在300℃开始裂解;由于裂解气体的保护作用,碳纤维不发生氧化,而是在汽化点(3 300℃)汽化烧蚀;复合材料热烧蚀率随峰值功率密度和重复频率提高而增大,随辐照时间增加而减小,最终均趋于定值;增加脉冲宽度可以提高辐照区峰值温度,降低碳纤维损伤的功率密度阈值。

盐环境对含孔损伤碳纤维复合材料的性能影响

研究了含孔损伤T700碳纤维/环氧树脂基复合材料在不同浓度、时间和温度的盐溶液环境老化后的性能变化并分析其破坏机理。对其进行盐溶液水浸老化吸湿试验后,分析其质量变化、老化前后SEM微观形貌、玻璃化转变温度、红外光谱分析和开孔拉伸性能。结果表明,盐溶液的浓度对材料性能影响较小,而盐溶液老化的时间和温度对其影响明显,随温度和时间的增加吸湿速率越快,玻璃化转变温度下降幅度越大,试样形貌损伤破坏越严重,纤维与基体界面发生破坏,开孔拉伸强度明显下降。

水浸泡对碳纤维拉挤杆的水吸收与剪切强度影响

本文研究了东丽T700与国产碳纤维增强环氧树脂基拉挤杆在20℃和60℃蒸馏水浸泡下的水吸收与剪切性能变化。结果表明,随着温度升高,水扩散速率提高,且沿纤维方向的水扩散系数高于垂直方向。浸泡7d后,碳纤维拉挤杆的剪切强度均发生明显下降,但随着浸泡时间延长,20℃水浸泡试样的剪切强度反而有所上升,而60℃水浸泡试样的剪切强度继续缓慢下降。比较而言,国产碳纤维增强拉挤杆的剪切强度相对较高,界面粘结强度大,但耐水性能相对较差,浸泡后期的强度下降更为明显。

T800碳纤维复合材料低速冲击渐进损伤仿真与试验研究

利用有限元软件ABAQUS建立冲击渐进损伤模型,对国产T800碳纤维/环氧树脂基复合材料的低速冲击损伤进行了数值模拟;同时对复合材料进行低速冲击试验,通过分析不同冲击能量与凹坑深度和损伤形貌的关系研究了层合板的冲击损伤特性.结果表明:在模拟仿真过程中,复合材料冲击时的应力分布像花生状的椭圆形,同时基体的拉伸和压缩损伤大于纤维的拉伸和压缩损伤.在试验中随着冲击能量增大,凹坑深度在35 J左右出现拐点,拐点之前凹坑深度增加缓慢,冲击表面主要是无损伤和几乎不可见的冲击损伤,内部损伤形貌近似圆形;拐点后凹坑深度急剧增加,试样内部损伤形貌逐渐趋于椭圆形,并沿45°铺层方向呈锥形扩展;在65 J时达到穿透性损伤.模拟得到的凹坑深度与试验结果吻合较好,为分析T800碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板受低速冲击后的损伤演化和规律提供了一种有效的方法.

国产T700级碳纤维及复合材料性能表征

研究了两种国产T700级碳纤维微观形貌以及相应的环氧树脂基复合材料的基本力学性能,并与日本东丽T700碳纤维进行比较。结果发现,与表面光滑的东丽T700碳纤维相比,国产碳纤维表面有颗粒附着,呈凹凸不平的形貌;国产Ⅰ型和东丽碳纤维较国产Ⅱ型碳纤维的力学性能稳定性更好,国产Ⅰ型碳纤维与东丽纤维力学性能数据相近,其中国产Ⅰ型碳纤维复合材料拉伸强度为2323MPa、拉伸弹性模量为143GPa、弯曲强度为2327MPa、弯曲弹性模量为140GPa。

碳纤维增强环氧树脂基复合材料轴管的低速冲击失效机制及剩余压缩性能

采用落锤冲击试验模拟低速冲击过程,对碳纤维增强环氧树脂基复合材料传动轴的轴管在不同能级冲击下的损伤行为以及冲击后的剩余压缩性能进行了研究;通过ABQUAS有限元分析软件和X射线断层扫描技术(CT)相结合的方法观察了复合材料轴管在受到低速冲击时的损伤形式,研究其内部损伤规律。结果表明,复合材料轴管的抗冲击形变能力随着冲击能量的增加先增强后减弱,在冲击能量为10~20 J之间出现最大值。CT无损检测结果显示复合材料轴管的失效形式包括分层损伤、树脂开裂和纤维破裂(断裂)。在低能量冲击时,复合材料轴管主要产生分层损伤和树脂的开裂,而纤维断裂损伤只出现在冲击位置,且随着冲击能量的增加纤维断裂现象愈加显著。有限元仿真结果显示复合材料轴管中的碳纤维在拉伸方向的失效明显小于压缩失效,压缩失效沿纤维排布方向扩散,拉伸失效沿轴向和横向呈十字扩散,轴向失效的程度大于横向失效的程度;而树脂的压缩失效沿轴向从冲击位置向横向扩散,扩散形状近似圆形,越靠近圆心失效越明显,拉伸失效范围呈十字,整体失效沿十字边缘扩散。

先进复合材料铁塔加固技术的分析与计算

目前,通信铁塔面临承载更多通信设备和抵抗自然环境挑战的双重压力,铁塔加固变得至关重要,旨在应对材料老化、设计不足、自然灾害威胁等问题,确保通信基础设施的安全与稳定。传统加固方法,如打孔和焊接,存在损伤结构整体性、引发变形或依赖于操作技能等弊端。为解决这些问题,文章提出一种基于先进复合材料的低成本、无损加固方案,特别适用于通信铁塔。该方案利用环氧树脂基碳纤维增强复合材料与特殊粘接剂,采用栓接-粘接混合连接方式,实现铁塔的局部或整体加固。该复合材料具备高强度、高弹性模量、耐腐蚀等特性,能有效提升铁塔结构的承重能力和抗灾性能,同时减轻自重,减少维护成本。

基于材料轻量化的商用汽车驾驶室CAE分析与建模

针对商用汽车驾驶室的材料轻量化研究,文章通过仿真实验构建了碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)的模型,并通过该模型对商用汽车驾驶室进行静态刚度和动态性能分析。在满足商用汽车驾驶室刚度要求前提下,采用CFRP轻量化复合材料代替传统钢结构材料,构建了轻量化商用汽车驾驶室CEA模型,并通过NasTran有限元建模软件进行仿真实验。实验结果表明,CFRP轻量化复合材料构建的商用汽车驾驶室的静态刚度基本保持不变。在模态分析中,轻量化材料的一节扭转频率提升了27.63%,驾驶室整体质量下降了38.38kg,降幅达到了11.4%,具有较强的轻量化效果,且静态刚度和模态分析结果验证了CFRP轻量化复合材料的可行性。

碳纤维-超高分子量聚乙烯纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击性能与失效机制

碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板在航天、汽车等领域应用广泛,使用中难免遇到低速冲击事件(生产使用过程中工具坠落等)产生安全隐患,分层破坏是其受到低速冲击后的主要损伤形式,会严重影响复合材料层合板的强度和使用寿命。为提高其抗冲击性能,通过短纤维增韧的方式探究超高分子量聚乙烯短纤维的铺层数量和铺层位置对复合材料层合板低速冲击性能的影响。研究结果表明:添加6层短纤维的复合材料层合板最大载荷由3.19 kN增加到4.86 kN,吸收能量由18.27 J增加到28.89 J,分别提高了52.3%和58.12%。冲击后剩余强度明显提高,两层短纤维铺层增韧方式的复合材料层合板冲击后剩余强度最大,为164.73 MPa,相比原样提高95%。超高分子量聚乙烯短纤维加入后复合材料层合板的冲击损伤阻抗提高,冲击后的凹痕深度下降,并且抗分层能力提升。其增韧机制是断裂面表面能增加,冲击使部分纤维被拔出,出现纤维桥联现象,拔出的纤维会降低分层前沿的应力集中,增大分层扩展的阻力,使分层破坏在扩展过程中需要消耗更多的能量,有效阻碍了裂纹的传播。

3种材料在柔性机械臂振动抑制中的特性对比

在所设计的柔性机械臂的基础上,利用SolidWorks Simulation对合金钢、铝合金、碳纤维增强环氧树脂基复合材料3种结构材料的机械臂进行线性动态分析,分别从谐波分析和瞬态振动分析两个方面对机械臂进行仿真。结果表明,碳纤维增强环氧树脂基复合材料对机械臂具有明显的减振作用,其振动衰减速度及振动衰减效果要优于传统合金材料,为机械臂的设计及振动抑制提供了参考。

超声功率谱特征参数在复合材料孔隙率检测中的应用

基于材料超声检测系统模型及功率谱分析,考察了碳纤维增强环氧树脂基(CFRP)复合材料的孔隙率(0.03%～2.3%)与主频、中心频率、加权功率谱频率、有限频带能量(F_(LFB))及主频对应的能量(E_(PF))等参数之间的相关性。结果表明:孔隙率在0.03%～0.67%范围内时,E_(LFB)与孔隙率呈线性递减关系;在0.67%～2.3%范围内,两者呈二次曲线递减关系;E_(PF)与孔隙率的关系在0.64%左右两侧分别呈现出线性和二次曲线递减趋势。E_(LFB)和E_(PF)能有效表征CFRP的孔隙率。

制备工艺对C_(3D)/EP复合材料力学性能的影响

本文采用了两种工艺制备三维编织碳纤维增强环氧树脂基 (C3D/EP)复合材料 ,并对其力学性能和微观结构进行了研究和分析。结果表明 ,孔隙对复合材料的影响较大 ,相对RTM工艺制备的复合材料 ,真空浸渍法制备的复合材料有较高的空隙率 ,较低的弯曲强度和弯曲模量、较好的冲击性能。