生物基可降解环氧树脂及其可回收碳纤维复合材料的研究进展

环氧树脂是目前应用最为广泛的热固性树脂之一,其固化后会形成不溶、不熔的高度交联的三维网络结构,从而导致树脂及其碳纤维复合材料的降解困难而且难以再加工,造成了严重的资源浪费与环境污染。采用可再生生物质原料制备生物基可降解环氧树脂及其碳纤维复合材料,在缓解能源危机、减轻环境污染和实现资源再利用上具有重要意义。综述了生物基可降解环氧树脂及其可回收碳纤维复合材料的研究进展,主要包括含有热或化学不稳定键的可降解环氧树脂的合成、性能、降解机理及其碳纤维的无损回收,并总结了其优缺点。

耐高温阻燃环氧树脂碳纤维复合材料性能研究

本文针对耐高温阻燃环氧树脂碳纤维复合材料的力学性能、耐湿热性能、阻燃性能、防火性能进行研究,结果表明,耐高温阻燃复合材料具有良好的力学性能和阻燃性能。其中耐高温阻燃复合材料的阻燃等级为V-0级别,240 s内最大烟密度Dm为5.17,极限氧指数为39.5%,并通过烟毒性及防火试验,基本满足适航相关法规。通过上述性能研究,为阻燃结构功能一体化环氧树脂基复合材料在先进航空飞行器及发动机上的实际应用提供支撑。

铁粉/碳纤维增强树脂复合材料的制备 及脆化损伤研究

将偶联剂改性纳米铁(Fe)粉与预处理后的碳纤维混合,浸润于环氧树脂基料中,经过搅拌混合制备纳米Fe粉/碳纤维增强树脂复合材料,研究了复合材料在高温老化、水浸老化环境下的脆化损伤行为。结果表明:树脂受到高温老化和水浸泡老化后会出现脆化损伤,碳纤维和纳米Fe粉加入会对该损伤有一定抑制;加入质量分数为4.0%的纳米Fe粉后,随着高温老化时间延长,碳纤维质量分数为3.0%的纳米Fe粉/碳纤维增强复合材料的拉伸强度、断裂韧性下降幅度较小,同时脆化损伤后树脂与纳米Fe粉、碳纤维仍结合紧密;碳纤维质量分数为3.0%、纳米Fe粉质量分数为4.0%的纳米Fe粉/碳纤维增强复合材料经水浸老化后,断裂韧性仍旧保持较高水平。

连续碳纤维/环氧树脂基复合材料增材制造设备研制

课题利用连续碳纤维与环氧树脂原位浸渍的方法,设计出原位碳纤维增强环氧树脂复合材料增材制造设备。采用龙门架结构作为移动机构,铺丝头承担碳纤维预浸丝的铺放动作。由于设备的结构设计以及其重要机构的强度对设备的铺放精度有着巨大的影响,所以要对铺放设备的关键受力零部件进行静力学分析,确保其设计强度满足设备正常工况下的运行。实验结果表明,设备结构满足设计要求,可以完成正常工况下的碳纤维预浸带精准铺放。

建筑用碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备及其性能研究

选择以T700碳纤维为增强相,将碳纤维经浓HNO 3浸渍处理0,40,80,120和160 min后掺入到环氧树脂中,制备了碳纤维增强环氧树脂复合材料。分析了浸渍时间对复合材料微观形貌、力学性能和热稳定性的影响。结果表明,经浓HNO 3浸渍的碳纤维表面粗糙度增大,沟槽数量和深度增加,碳纤维和环氧树脂的结合强度增大;随碳纤维浸渍时间的增大,复合材料的界面剪切强度、层间剪切强度、弯曲强度和弯曲模量均先增大后减小,当浸渍时间为120 min时,复合材料的界面剪切强度和层间剪切强度均达到了最大值,分别为80.2和90.3 MPa,其弯曲强度和弯曲模量也达到了最大值,分别为902.6 MPa和79.3 GPa,且应力-应变最高点增大,弯曲性能提高;在800℃下浓HNO 3浸渍处理120 min的复合材料的残炭率最大为58.2%,热稳定性最佳。

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%。

碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备及性能

采用二苯甲基二异氰酸酯(MDI)和硅烷偶联剂(KH550)对碳纤维进行表面改性,将改性后的碳纤维(MDI/KH550-CFs)与环氧树脂(EP)复合,制备了不同碳纤维添含量的环氧树脂基复合材料,通过扫描电镜、拉伸测试、抗冲测试、磨损测试等研究改性碳纤维含量对环氧树脂基复合材料力学性能的影响。扫描电镜结果表明,采用MDI和KH550改性后的碳纤维与环氧树脂具有较好的界面粘结性能;力学及摩擦磨损性能测试结果显示,加入碳纤维有利于改善材料的拉伸性能及耐磨性能,能够延长材料的使用寿命,并且不影响材料的抗冲击性能。当MDI/KH550-CFs含量为4%时,拉伸强度为25.8624 MPa,与纯环氧树脂相比增强了62.4%;当其含量为2%时,最低磨损率为0.7×10^(-4)mm~3/(N·m)。

环氧树脂改性聚双环戊二烯及其碳纤维复合材料的制备与表征

本文在双环戊二烯单体/Grubbs二代催化剂体系中加入双酚A型环氧树脂配套甲基纳迪克酸酐固化剂,通过逐步升温聚合得到环氧树脂/聚双环戊二烯(PDCPD)共混物。利用接触角测量仪、差示扫描量热仪(DSC)、红外光谱仪(FT-IR)、力学试验机和扫描电镜(SEM)对环氧树脂改性PDCPD进行了表征。研究结果表明:加入10 phr环氧树脂的DCPD单体与碳纤维织物表面接触角由83.2°降低至22.6°,润湿性得到明显改善;环氧树脂改性PDCPD相比于纯PDCPD,玻璃化转变温度由124.7℃提升至133.2℃;改性PDCPD红外光谱中未发现环氧官能团(913 cm^(-1)),说明混合体系中环氧树脂反应完全;力学性能测试结果表明改性后PDCPD弯曲强度提升13.3%,断裂韧性降低11.0%,微观结构显示环氧树脂固化物呈直径小于2μm的微球均匀分布在PDCPD内部;利用湿法模压制备的改性PDCPD/碳纤维复合材料层间剪切强度由8.2 MPa提升至15.1 MPa,断面结构显示环氧树脂的加入有效改善了PDCPD对碳纤维的附着力。

短切/连续碳纤维协同增强本征导热环氧树脂基复合材料研究

采用含有联苯介晶基元结构的3,3’,5,5’-四甲基联苯二酚二缩水甘油醚(TMBP)与含有芳香酰胺介晶基元结构的固化剂4,4-二氨基苯酰替苯胺(DABA)制备本征导热TMBP/DABA环氧树脂。结果表明,热导率高达0.33 W/(m·K),比普通双酚A缩水甘油醚(DGEBA)/4,4’-二氨基二苯甲烷(DDM)环氧树脂的热导率高约50%,相应短切碳纤维(含量为75%,质量分数,下同)增强复合材料面外和面内热导率分别高约42.7%和40.2%。采用紫外臭氧氧化方法对短切碳纤维(SCF)和连续碳纤维(M55J)进行表面改性,发现能够明显改善纤维与基体树脂之间的界面结合强度,进而提高复合材料的导热性能。进一步采用SCF和M55J为增强纤维、本征导热TMBP/DABA环氧树脂为基体树脂制备出短切/连续碳纤维协同增强本征导热环氧树脂基复合材料SCF/M55J/TMBP/BADA。SCF的加入能够同时改善M55J/TMBP/DABA单向复合材料板沿X、Y、Z轴方向的热导率,分别最高达到98.07、48.23、9.40 W/(m·K)。为改善复合材料综合导热性能提供了一种新思路。

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。

碳纤维表面化学结构对其增强环氧树脂基复合材料性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟手段,构建了碳纤维氧化表面及其增强的环氧树脂基复合材料模型。系统研究了碳纤维表面含氧官能团演变与碳纤维表面张力的作用关系,构建了碳纤维的不同氧化表面增强的环氧树脂模型,并进一步升温固化,获得最终的热固性复合材料。揭示了不同碳纤维表面化学结构对复合材料的剪切、拉伸及弯曲性能的影响。研究结果表明:—C=O和—COOH的含量提升有利于碳纤维表面能的提高,这主要归因于—C=O双键可弥补—C=C—破坏损失的表面共价键能,也提高了表面非键相互作用能。此外,一定含量含氧官能团的引入对复合材料力学性能均有不同程度的提高,但过量的含氧基团则削弱了力学性能。当电流密度为0.69 A/m^(2)时,对应碳纤维增强环氧树脂基复合材料的剪切应力、拉伸强度和弯曲强度均为最优,进一步提升的电流密度使得复合材料的力学强度均逐渐降低。

国产T700碳纤维用环氧树脂及其复合材料性能研究

本文针对国产碳纤维特点研制一种新型改性环氧树脂配方,测试CCF700S碳纤维NOL环、单向板以及Ф150mm标准容器水压爆破,并对爆破后复合材料结合SEM对碳纤维的微观结构进行表征。试验结果表明,该改性环氧树脂体系与CCF700S碳纤维浸润性好,界面粘接能力强,力学性能优异,改性环氧树脂体系适用于CCF700S碳纤维湿法缠绕工艺。

CF/Fe_(3)O_(4)增强环氧树脂吸波复合材料的性能研究

为了弥补吸波复合材料在应用上的局限性,采用原位还原法制备负载Fe_(3)O_(4)颗粒的碳纤维(CF/Fe_(3)O_(4)),通过浇铸成型将CF/Fe_(3)O_(4)复合纤维与环氧树脂进行复合,制备了CF/Fe_(3)O_(4)增强环氧树脂吸波复合材料。研究了CF/Fe_(3)O_(4)复合纤维长度、添加量、复合材料厚度对复合材料吸波性能和弯曲强度的影响。研究发现:当CF/Fe_(3)O_(4)复合纤维长度为4 mm、添加量为0.8%、复合材料厚度为4.5 mm时,CF/Fe_(3)O_(4)增强环氧树脂吸波复合材料的吸波效果最优,最大反射损耗在18 GHz处达-16.8 dB,有效带宽为3.8 GHz,较同制备工艺条件下的CF增强环氧树脂复合材料的反射损耗(-4.75 dB)提升了253.7%。

碳纤维复合材料壳体湿法缠绕用高性能树脂基体的研究

树脂基体的低黏度和长适用期是大型固体火箭发动机复合材料壳体长周期湿法缠绕成型的基本保证。通过与高活性固化剂物理相容的活性溶剂的添加,研制出一种具有低黏度、长适用期、优异力学性能及耐热性能的环氧树脂基体。采用差式扫描量热法(DSC)、动态热机械仪(DMA)、万能材料试验机、水压爆破系统等对该树脂体系的固化行为、黏度、浇铸体力学及耐热性能和碳纤维增强复合材料力学性能、容器爆破性能进行了系统的研究。结果表明,该树脂基体黏度低,黏度变化平缓,适用期超过10h,满足大型发动机壳体湿法缠绕成型工艺要求;且该树脂基体以及碳纤维复合材料具有优异的力学性能,缠绕成型的Ф150mm容器的容器特性系数>50km,纤维强度发挥率>90%。

3D打印与仿生学融合:仿竹结构的碳纤维增强碳化硅复合材料

随着航空航天等领域对材料性能要求的日益提高,陶瓷基复合材料(CMCs)因其卓越的高温稳定性和优异的力学性能而备受关注。然而,CMCs在机械性能与电磁波吸收(EWA)性能之间的平衡一直是一个技术难题。近期,西安交通大学的科研团队在《材料科学与技术杂志(Journal of Materials Science&Technology)》上发表了一篇关于仿竹结构的连续碳纤维增强SiC(Cf/SiC)复合材料的研究成果,为CMCs的应用提供了新的思路。

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。

碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的研究及应用

随着新材料和成型工艺的不断发展,现代装备制造领域正朝着高强度、轻量化方向迈进。碳纤维增强聚醚醚酮[CarbonFiber/Poly(Ether-Ether-Ketone),CF/PEEK]复合材料,因其绝缘性好、耐腐蚀性强、力学性能优异的特点,在航空、医用等领域备受关注,促使其制备工艺及性能研究取得了飞速发展。文章主要阐述近年来CF/PEEK复合材料的研究进展,并总结其在航空领域中的应用。

紫外老化对碳纤维增强环氧树脂复合材料性能的影响

采用拉挤成型工艺制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料,并对其进行人工加速紫外老化实验,对不同老化时间的试样进行弯曲强度测试、冲击强度测试、动态热机械分析(DMA)。结果表明,紫外老化仅影响到受紫外辐射的碳纤维环氧复合材料最外层,使对外层性能敏感的力学性能下降;紫外老化使复合材料玻璃化转变温度(Tg)提高,老化前期提高幅度相对较大,后期变化不明显;随着老化时间的增加,受到紫外辐射的最外层碳纤维/环氧树脂界面受到一定程度削弱。

环氧树脂/碳纤维复合材料的成型工艺与应用

介绍了环氧树脂(EP)/碳纤维(CF)复合材料的特点及其应用;总结了EP/CF复合材料的成型工艺及每种成型工艺的优缺点。指出随着CF制备技术、表面处理技术,以及EP制备技术和固化工艺的发展,采用环保、简便、快捷且价廉的成型工艺生产性价比更高的EP/CF制品是EP/CF复合材料的发展方向。