轨道交通用碳纤维增强环氧树脂复合材料力学与阻燃性能研究

该研究通过热压罐工艺制备3种轨道交通用碳纤维增强环氧树脂复合材料,对其拉伸、层间剪切等力学性能和防火阻燃性能进行测试,为材料的选择与优化提供科学依据。结果表明3种复合材料的0°拉伸强度皆大于1900 MPa,层间剪切强度大于70 MPa,关键力学性能优异,且阻燃等级皆达到EN45545-2:2020 R1 HL3,可满足轨道交通领域典型承力件和次承力件的力学性能及防火安全性的要求。

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。

碳纤维/环氧树脂基复合材料增韧改性的研究进展

碳纤维/环氧树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)因其高强度、高刚性和低密度等优异性能,在航空航天、汽车、船舶和风能等领域得到了广泛应用。然而,环氧树脂基体的固有脆性限制了CFRP的广泛应用。因此,如何提高其韧性成为研究的热点。综述了近年来碳纤维/环氧树脂基复合材料增韧改性的研究进展,重点介绍了树脂改性、界面改性及结构设计等方法,对未来研究方向进行了展望。

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。

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。

环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品翘曲变形的影响因素分析

围绕环氧树脂/碳纤维片状模塑料模压平板制品深入研究了翘曲变形问题。用三坐标测量仪测得平板制品的平面度以表征制品的翘曲变形量。通过邓肯法多重比较各因素的水平显著性影响差异并进一步分析了各工艺参数对制品翘曲变形的影响趋势;同时分析了纤维分布、孔隙特征、上下模具温度、型腔压力分布等对制品翘曲的影响机理。结果表明,制品翘曲量分布在0.302~1.29 mm之间;通过正交实验方差分析得到模压成型工艺参数对翘曲变形的影响大小顺序为:模压压力(P)>合模速度(v)>保压时间(t)>模压温度(T),影响制品翘曲变形的显著性因素是模压压力。

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。

碳纤维/水性环氧树脂涂层的制备及其耐冲刷腐蚀性能研究

以Q235钢为基材,制备了碳纤维/水性环氧树脂(CF/WEP)复合涂层,利用冲刷腐蚀试验模拟Q235钢在含砂流动海水环境中的腐蚀行为。通过对Q235钢在冲刷腐蚀后的电化学行为、腐蚀产物形貌和腐蚀失质量进行分析,研究了CF/WEP复合涂层的耐冲刷腐蚀性能,并解释其耐冲刷腐蚀机理。结果表明:制备的CF/WEP涂层在流速为3 m/s、1.0%含砂量条件下可以屏蔽沙粒,具有很好的耐冲刷腐蚀性能。在1.0%的含砂量冲刷环境下,流速为5 m/s时,试样腐蚀面积增多,涂层发生了破裂;当流速为1 m/s、含砂量增加至1.5%时,涂层被砂粒冲蚀而破裂,砂粒从涂层的破裂口进入涂层内部并聚集,且涂层破裂的边缘极易形成腐蚀坑。空白试样和涂层试样冲刷的腐蚀产物主要为α-Fe_(2)O_(3)、α-FeOOH、γ-FeOOH、γ-Fe_(2)O_(3)、Fe_(3)O_(4)物相。

拉伸载荷下碳纤维/环氧树脂织物层合板疲劳断裂特性

为探究纤维增强树脂基复合材料疲劳寿命预测和损伤演化问题,通过复合材料层合板拉伸和疲劳实验,获得了4种不同循环应力下碳纤维/环氧基平纹织物层合板的疲劳数据,并以此建立了一种织物层合板的疲劳模型。采用有限元方法分析了层合板的失效过程和性能退化,模拟了织物层合板的疲劳寿命和损伤扩展过程。利用超声波C扫、超景深显微镜和扫描电子显微镜观察疲劳断口形貌及内部损伤,并与仿真结果对比,研究了纤维增强复合材料疲劳损伤演化和断裂机理。结果表明,复合材料层合板疲劳损伤演化主要分3个阶段。在疲劳初期,层合板两侧边表面最先出现层内分层和基体裂纹;中期损伤扩展加快,损伤形式主要以层间损伤为主;末期层合板内严重分层,裂纹趋于饱和,大量纤维断裂,性能迅速退化;最后,损伤贯穿整个横面,发生疲劳断裂。

硼酚醛环氧树脂共混体系制备基纳米碳纤维的研究

采用了共混静电纺丝法制备了硼酚醛环氧树脂基纳米碳纤维。在纺丝液的配制中选择硼酚醛树脂(BPF)和环氧树脂(EP)为原料,聚乙烯醇缩丁醛酯(PVB)为纺丝助剂,乙醇为溶剂。静电纺丝后采用阶梯式加热法进行固化处理,固化后在管式炉里进行碳化处理。多次实验对比分析后发现:BPF/EP共混纺丝液的最佳配比为BPF/EP=95%/5%,纺丝液浓度为40%,且在20 kV纺丝电压、1 ml/h推进速率、20 cm纺丝距离下纺丝效果最佳。在该最佳纺丝液配比以及纺丝工艺条件下制备出的BPF/EP纳米基碳纤维经表征检测:在1000℃下残炭率可达到64%左右,碳纤维结构方面比表面积为811.242 m^(2)/g,总孔容0.288 cm^(3)/g,其中微孔孔容为0.281 cm^(3)/g,平均孔径为0.590 nm。

碳纤维粉改性环氧树脂基体的性能研究

研究了向692-2k环氧树脂中添加碳纤维粉的方法,以制备碳纤维粉改性的环氧树脂基体,并考察了不同掺量(质量分数0、15%、20%、2%)和尺寸(500目和1 000目,即25μm和13μm)的碳纤维粉对基体力学性能和耐热性能的影响。结果表明:不同尺寸和掺量的碳纤维粉可以显著改善环氧树脂基体的力学性能和耐热性能。未掺碳纤维粉的环氧树脂基体最大抗拉强度和最大弯曲强度分别为8、10 MPa,当加入500目(25μm)且掺量为20%的碳纤维粉时,其改性的环氧树脂具有最大抗拉强度为11 MPa,掺量为15%时具有最大弯曲强度(18 MPa),而当加入1 000目(13μm)且掺量为25%时,具有最大抗拉强度为14 MPa,掺量为20%时具有最大弯曲强度(25 MPa)。同时,在干燥烘箱120℃连续5天的加热下,500目(25μm)25%掺量的碳纤维粉改性692-2k环氧树脂有效提高了材料耐热性能,其失重率最小。

连续碳纤维增强液晶高分子层压板材的性能

采用自行设计和组装的连续纤维增强热塑性预浸带熔融浸渍装置,制备了连续碳纤维(CCF)增强聚芳酯液晶高分子(LCP)预浸带,再将预浸带通过热压成型制备出层压板材。通过万能材料试验机、扫描电子显微镜(SEM)、动态力学分析仪(DMA)和差示扫描量热仪(DSC)研究了不同纤维质量分数对层压板材力学性能、断面微观形貌、动态力学行为和熔融结晶行为的影响。力学性能测试结果表明,在一定范围内层压板材的拉伸强度、弯曲强度和层间剪切强度随纤维质量分数的增加而提高。当纤维质量分数为39.6%时,层压板材的拉伸强度、弯曲强度和层间剪切强度分别为788.43、395.08和31.42 MPa,与LCP纯料相比分别提高了5.3、2.1和2.9倍。SEM结果表明,纤维质量分数为39.6%时,CCF被LCP树脂基体完全包覆,纤维和树脂之间的界面黏结性较好。DMA结果表明,层压板材的储能模量和损耗模量随着纤维质量分数的增加而提高。DSC结果表明,CCF的加入显著提高了层压板材的熔融温度和结晶温度。

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。

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。

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。

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。

碳纤维层压板冲击损伤的红外热波检测

采用无损检测技术对碳纤维增强复合材料进行检测是保证其构件质量的必要手段。介绍了利用红外热波无损检测技术对碳纤维增强多层复合材料板冲击损伤试件检测的结果,并将热波检测结果与超声C扫描检测结果进行比较,结果表明两种检测方法各具优势。热波检测技术与超声检测技术结合起来对碳纤维增强多层复合材料板冲击损伤无损检测效果更佳。

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。

碳纤维复合材料发动机壳体用韧性环氧树脂基体的研究

在综合考虑粘度 -力学性能 -耐热性能的基础上 ,开发了一种适用于碳纤维复合材料固体火箭发动机壳体湿法缠绕成型的韧性环氧树脂基体。用 DSC,FT- IR等分析手段对该树脂基体的固化反应动力学参数、树脂基体固化物性能和复合材料性能进行了系统研究。结果表明 ,该树脂基体粘度小、适用期长、韧性高 ,与碳纤维界面粘接好 。

环氧树脂上浆剂对PAN基碳纤维性能的影响

分别以KD-213,YD-128环氧树脂、复合环氧树脂及油酸酰胺改性的复合环氧树脂(改性环氧树脂)为主体的上浆剂对聚丙烯腈基碳纤维(PANCF)进行上浆,对上浆纤维的加工性能、表面形貌及其界面剪切强度(IFSS)进行了研究。结果表明:上浆剂改善了PANCF的耐磨性、毛丝量、耐水性及其复合材料的IFSS。其中改性环氧树脂上浆剂为最佳,可在PANCF表面形成一层完整的柔韧性光滑薄膜,上浆后的PANCF的耐磨次数为1887,毛丝量为0.14mg,吸水率小于等于0.005%,复合材料IFSS较未上浆纤维提高38.5%,达87.26GPa。