纳米SiO_(2)改性环氧树脂碳纤维体育材料及性能试验

针对传统体育器材环氧树脂碳纤维复合材料脆性大、耐冲击性能差的问题,提出用真空辅助树脂传递模塑成型工艺(VATRM)制备用于体育器材的纳米二氧化硅改性环氧树脂碳纤维复合材料,借助电子万能试验机和落锤式冲击实验机研究了该复合材料的横向拉伸性能和抗冲击性能。结果表明:当纳米二氧化硅质量分数为1%时,纳米二氧化硅/环氧树脂复合材料的横向拉伸性能最佳,断裂伸长率为0.5%;横向拉伸强度为41.7 MPa,拉伸模量为79.9 GPa,比纯环氧树脂碳纤维复合材料的横向拉伸强度、拉伸模量分别提高124.2%和12.5%。经纳米二氧化硅改性的环氧树脂碳纤维复合材料最大冲击力为2216 N,比纯环氧树脂碳纤维复合材料最大冲击力提高了37.2%左右。

环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品力学性能影响因素分析

通过正交实验研究模压工艺参数对环氧树脂/碳纤维(EP/CF)片状模塑料SMC模压成型制品力学性能的影响,分析了各工艺参数对制品拉伸强度和弯曲强度的影响趋势。通过方差分析,得到工艺参数对于拉伸强度的影响大小为合模速度>模压温度>模压压力>保压时间,工艺参数对于弯曲强度的影响大小为合模速度>模压压力>模压温度>保压时间,同时得到了对拉伸强度和弯曲强度的显著性因素;研究了拉伸破坏模式及失效机理,采用K-均值方法并选取典型试样观察,发现环氧树脂与基体的结合程度是影响拉伸强度的原因。

典型碳纤维/环氧树脂复合材料热解动力学研究

以飞机结构中典型的碳纤维/环氧树脂复合材料为研究对象,通过热重分析实验研究了载气(氮气、空气)气氛和不同升温速率对其热解特性的影响,分析了热解过程,选用Kissinger和Flynn-Wall-Ozawa两种方法计算了相关热解动力学参数,并进行了对比分析。结果表明:碳纤维/环氧树脂复合材料在氮气气氛下热解只有一个阶段,即环氧树脂在无氧条件下的热解;空气气氛下热解有3个阶段,第一、二阶段为环氧树脂的热解,第三阶段为碳纤维的热解。两种气氛下,随着升温速率的增大,样品的初始分解温度、终止分解温度以及最大失重速率逐渐提高,热解温度范围也逐渐变宽。Kissinger和Flynn-Wall-Ozawa两种方法计算得到了样品在空气气氛下的各阶段表观活化能,经对比分析,所得结果较为一致。研究结果可为复合材料适航审定提供基础数据和理论参考。

碳纤维增强环氧树脂复合材料盐雾腐蚀行为及其老化分子机制

碳纤维增强环氧树脂复合材料(CFRP)综合性能优异,广泛用于国防军工、航空航天等领域。文中针对CFRP在海洋气候环境下的实际应用需求,研究了具有产品结构特征的NOL环及层压板试样在高温、高浓度盐雾(55℃,10%NaCl)条件下的盐雾腐蚀行为,并通过研究材料在老化过程中的吸湿行为、盐分扩散行为及树脂分子/交联网络结构及体系界面结构的演变,探究了其老化分子机理及界面损伤机制。其老化过程可分为3个阶段,在此期间水分子对树脂的溶胀与塑化作用、纤维-基体湿膨胀系数不匹配诱发的界面损伤作用及盐分/水分对树脂的腐蚀断链作用均可导致体系交联密度降低、界面脱粘及基体破碎,诱使材料力学及界面强度劣化。老化90 d后,NOL环及层压板试样的层间剪切强度(ILSS)保留率分别为73.75%及84.10%。

VARI工艺制备碳纤维/环氧树脂复合材料的耐腐蚀性能及断口形貌分析

研究了用真空辅助树脂灌注(VARI)成型工艺制备碳纤维复合材料的耐腐蚀性能,并对采用VARI工艺制备的碳纤维复合材料制件进行了断口形貌分析。结果表明:碳纤维树脂基复合材料的拉伸强度是395.93 MPa,弯曲强度是568.44 MPa,模拟海水中浸泡70天后拉伸性能和弯曲性能的保持率仍能保持在80%以上;腐蚀前环氧树脂与碳纤维编织布总体浸润充分,拉拔孔洞少,腐蚀后树脂对纤维包裹性变差,孔洞变多,但仍保持材料的大部分优良性能。

T700碳纤维/环氧树脂复合材料热解特性研究

采用热重-差热分析仪研究了T700碳纤维/环氧树脂复合材料在氮气氛围、升温速率不同条件下的热解特性规律。结果表明:T700碳纤维/环氧树脂复合材料的热解反应只有一个阶段,且不同升温速率条件下复合材料热解的初始温度比较接近,终止温度随着升温速率的增加向高温方向移动;热解速率、质量变化速率随着升温速率的提高而增大。热解动力学分析表明,热解反应开始阶段复合材料的活化能相对较小,热解速度相对较快;随着转化率升高,表观活化能变大,材料热解速度降低。转化率为20%~60%时,表观活化能增值相差不大,材料的稳定性变化不大,随后复合材料表观活化能大幅增加,材料中的环氧树脂热解即将完成。采用Kissinger法、Flynn-Wall-Ozawa法计算T700碳纤维/环氧树脂复合材料的表观活化能,表观活化能平均值分别为134.64kJ/mol, 150.47kJ/mol。

碳纤维增强环氧树脂复合板材的制备及其各向异性传热和弹性变形行为

采用模压成型技术制备了太阳能电池阵用碳纤维增强环氧树脂(CF EP)复合板材,并通过光学显微镜、SEM及XRD对其宏观、微观结构进行表征。基于多物理场耦合计算软件Comsol建立了CF EP复合板的固体传热数值模型,借助曲线坐标系转换算法揭示了热量于复合板碳纤维中优先沿纤维轴向传导,进而解释了碳纤维对CF EP复合板导热性能提升的作用机制。并基于有限元计算软件Abaqus,建立了CF EP的轴向应力-应变模型。研究发现在CF EP的弹性变形过程中,沿平行于应力方向排列的碳纤维承担了绝大部分应力,且当应变率升至1%时,轴向碳纤维的内部应力最高可达54.1 MPa。

高温环境下碳纤维环氧树脂层压板热响应行为

以碳纤维/环氧树脂层压板为研究对象,利用ABAQUS有限元分析软件对高温环境下碳纤维/环氧树脂层压板热响应过程进行数值模拟,结合试验分析不同铺层厚度材料的热响应行为规律,验证了模拟的可行性。研究发现,随着厚度增加,材料达到稳态温度的时间延后,稳态温度降低,材料内部随着距受热面深度的增加,升温速率呈下降趋势,且随着深度的增大,下降趋势减缓;热流方向沿平行于碳纤维层分布时稳态温度和稳态导热系数均较垂直方向大,碳纤维沿平行于热流传递方向分布有利于传热。

含碳纳米管上浆剂的制备及对碳纤维/环氧树脂复合材料界面的影响

首先采用"Friedel-Crafts"酰化反应制备羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs)并将其与环氧树脂、丙酮混合制成含MWCNTs的上浆剂,然后用该上浆剂浸渍碳纤维制备碳纳米管/碳纤维多尺度增强纤维。采用扫描电镜研究了上浆处理对碳纤维表面形貌的影响,采用短臂梁剪切测试方法研究了含碳纳米管的上浆剂对碳纤维/环氧树脂复合材料层间剪切强度(ILSS)的影响。结果表明,碳纳米管在上浆剂中的分散状态直接影响纤维表面碳纳米管分布的均匀性;与未浸渍的碳纤维相比,含碳纳米管上浆剂浸渍后的碳纤维/环氧树脂复合材料的ILSS提高了34.33%。通过上浆剂红外光谱表征、纤维束表面浸润性测试及ILSS试样端口形貌的观察,分析了层间增韧机理。研究表明,碳纤维束表面浸润性的提高以及碳纤维/环氧树脂界面处化学键合作用增强,是ILSS提高的主要原因。

碳纤维/环氧树脂复合材料连续抽油杆的研制

介绍了碳纤维/环氧树脂连续抽油杆的生产方法。以碳纤维和玻璃纤维带为增强材料,以E-51、METHPA和DMP-30组成的树脂体系为基体树脂,以HBT-8为内脱模剂,采用拉挤成型工艺,研制了碳纤维/环氧树脂复合材料连续抽油杆。研究表明,纤维排布、原料配比、固化温度和牵引速度是生产工艺的关键控制因素。下井实验表明,与常规钢制抽油杆相比,碳纤维/环氧树脂连续抽油杆可节电1/3以上,产油量为前者的1.3倍以上,经济效益显著,且耐磨、耐腐蚀性好,使用寿命长,运输、安装方便。

G827/5224和G803/5224碳纤维增强环氧树脂湿热老化的研究

用去离子水浸泡研究了高温固化碳纤维/环氧树脂基复合材料G827/5224、G803/5224的吸湿特性和吸湿机理,发现该复合材料的吸湿行为符合两阶段吸湿模式,考察了湿热老化对G827/5224、G803/5224复合材料静动态力学性能的影响,发现吸湿对复合材料的后固化有促进作用。

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。

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。

激光-载荷联合作用下碳纤维/环氧树脂板的断裂阈值研究

介绍了激光－载荷联合作用下碳纤维／环氧树脂编织复合材料单边缺口板断裂的实验和理论研究。实验测量了断裂阈值曲线，并结合显微观察确定了三种断裂模式：热应力、热减薄和热击穿模式。获得了热应力模式断裂的理论判据，与实验结果基本吻合。该判据建立了断裂临界条件下热－力和几何参数与材料性能参数之间的关系。

碳纤维/环氧树脂复合材料湿热老化后的力学性能

将碳纤维/环氧树脂复合材料在温度为71℃、相对湿度为85%的环境下吸湿至平衡后研究了它的吸湿行为,然后分别在室温和71,93,116,132℃下进行了弯曲性能、纵横剪切性能、动态力学性能试验,研究了该复合材料湿热老化后的力学性能。结果表明:碳纤维/环氧树脂复合材料的吸湿率较低,其饱和吸湿率仅为0.91%左右;湿热老化后,复合材料的弯曲强度保持率在50%以上,弯曲模量保持率在80%以上,纵横剪切强度保持率在55%以上,其玻璃化转变温度为195℃,极限耐热温度可达到132℃;该碳纤维/环氧树脂复合材料具有良好的耐湿热老化能力。

重频激光-载荷联合作用下碳纤维/环氧树脂复合材料失效规律

主要研究了激光-载荷联合作用下,不同加载条件与不同辐照条件对碳纤维/环氧树脂复合材料失效规律的影响,实验结果表明,恒定激光辐照条件下施加拉伸载荷,复合材料失效速率随施加载荷的增大而显著提高;与激光辐照后常温测试力学性能相比,热力耦合作用下复合材料力学性能损失率增大;辐照激光平均功率密度与激光辐照下复合材料损伤形式是热力耦合作用下试样失效速率和失效模式的主要影响因素。

单向碳纤维/环氧树脂复合材料疲劳裂纹扩展的研究

为了模拟单向碳纤维/环氧树脂复合材料在拉-拉疲劳实际工作条件下疲劳裂纹扩展的情况,利用单向碳纤维增强环氧树脂复合材料制成的紧凑拉伸试样(CTS),在应力强度因子比R为0.5的条件下,就加载频率、应力强度因子幅△k对Ⅰ型裂纹的扩展速度及裂纹扩展机理的影响作了较系统的研究,为材料的安全可靠使用条件及作用周期提供参考依据。

高速冲击过程中碳纤维/环氧树脂复合材料筒体强度分析

利用复合材料层合板理论对碳纤维/环氧树脂复合材料筒体在高速冲击过程中的受力状况进行了简要分析,并结合高速冲击试验结果,对碳纤维/环氧树脂复合材料筒体的破坏形式进行了简析。

不同孔隙率碳纤维增强环氧树脂复合材料板的压缩强度及其预测模型

通过压缩试验研究了IMA碳纤维增强M21环氧树脂复合材料板孔隙率对压缩强度的影响,建立了孔隙率与压缩强度的非线性关系模型。结果表明:孔隙率不大于1.87%时,该复合材料板的压缩强度较孔隙率为0的变化不明显,孔隙率对压缩强度的影响较小;孔隙率大于1.87%时,复合材料板的压缩强度较孔隙率为0的明显降低,此时孔隙率对压缩强度的影响较大;用建立的孔隙率与压缩强度的非线性关系模型对复合材料板的压缩强度进行了预测,预测结果较经典Gürdal指数模型的准确。

重频激光辐照对碳纤维/环氧树脂复合材料的力学损伤

主要研究了碳纤维/环氧树脂复合材料在不同参数重复频率激光辐照后的损伤形式变化以及其拉伸性能变化规律。结果表明,复合材料在激光辐照下的损伤形式主要分为单一基体损伤和基体与增强纤维共同损伤两种类型;激光峰值功率密度和脉冲宽度的增大对复合材料损伤形式影响较大,而辐照时间和重复频率的增大可增加复合材料的损伤程度,但对材料损伤形式影响较小;激光能量密度是影响复合材料辐照后拉伸强度保留率的最主要因素,而影响复合材料辐照后拉伸模量保留率的最主要因素为连续碳纤维增强相的损伤程度。