碳纤维增强树脂基复合材料的电子束辐射固化特性及工艺优化研究

在对高性能碳纤维增强树脂基复合材料绿色成型制造技术的探索中,电子束因常温固化、构件残余应力小且固化速度快等优势,被认为是极具应用前景的非热压罐固化技术。围绕碳纤维/环氧树脂基复合材料的高能电子束固化工艺,对比研究了两种辐射方式(仅辐射单层预浸带、辐射层合板)下,20~200 kGy剂量的电子束对预浸带固化度的影响,明确了固化度随着剂量增加而提高的演变趋势;测试并分析了辐射剂量率对固化度的影响规律,明晰了温升效应促进固化的作用机制;结合层间破坏微观形貌,探索了剂量及剂量率对层间剪切强度的协同影响,获得了高性能层合板制备的工艺优化方法。

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。

玻璃纤维增强树脂基复合材料缠绕制造技术探讨

随着我国化工、航空航天、新能源、基础设施建设、汽车制造等领域技术的持续进步,对玻璃纤维增强树脂基复合材料的性能要求也在不断提高。在这种背景下,强度高、质量轻、加工简便的玻璃纤维增强树脂基复合材料的应用日益增多。这种材料对于推动我国制造业技术的发展具有重要意义,已成为化工、航空航天、新能源、基础设施建设、汽车制造业的关键材料。因此,本文旨在探讨玻璃纤维增强树脂基复合材料的缠绕制造技术,以期为该材料在未来的发展和应用提供有力支持。通过对玻璃纤维增强树脂基复合材料缠绕制造技术的研究,可以促进其在多个行业中的广泛应用,并满足日益增长的性能需求。这不仅有助于提高生产效率和产品质量,还能推动新材料的应用和技术革新。通过不断的技术创新和优化,玻璃纤维增强树脂基复合材料的缠绕制造技术有望在多个行业中发挥更大的作用,为我国制造业的持续发展提供坚实的技术支撑。

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。

碳纤维增强树脂基复合材料界面改性及应用进展

轻质高强的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在碳达峰和碳中和的国家战略中展现出重要的研究价值,提高复合材料界面结合强度是重点和难点问题。针对碳纤维表面浸润性差和力学性能转化率低的问题,简述了CFRP界面增强理论和碳纤维表面处理方法,重点阐述了氧化法、化学接枝和涂层法,用物理或化学手段提高复合材料力学性能。此外,从热固性树脂和热塑性树脂两种基体材料的各自性能特点分析了碳纤维与树脂基体适配性的问题,提出了不同的解决方案。最后,介绍了CFRP在航空、风电叶片和新能源汽车领域的研究进展,提出了飞机轻量化、风机大型化和电车普及背景下材料研究的发展建议,如优化针对高强或高模等具有不同表面形态碳纤维的特定表面改性技术,开发针对不同树脂的改性方法,研发不同类别及应用场景下的碳纤维上浆剂,加强复合材料界面增强理论和界面表征技术研究,制定碳纤维复合材料标准化体系。

考虑切削能耗和表面质量的碳纤维增强树脂基复合材料加工工艺参数优化决策

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)二次加工能耗与质量的影响要素相比于传统材料加工更为复杂,导致现有相关经验公式难以适用。基于此,以CFRP二次加工的切削力分析为切入点,对考虑能耗和质量的CFRP加工工艺参数优化决策问题开展研究。首先分析纤维方向角对CFRP加工形式的影响,推导了切削力模型;然后建立了以切削三要素和纤维方向角为变量,以切削能耗和表面粗糙度为目标的多目标优化模型,并提出了多样化突变驱动的粒子群优化算法(DM-PSO)与层次分析法(AHP)集成的工艺参数优化决策方法;最后通过铣削试验设计验证了上述模型和方法的可行性和优越性。

聚吡咯共轭结构对碳纤维增强树脂基复合材料热循环稳定性能的影响

为解决碳纤维增强树脂基复合材料(CFRPs)存在的碳纤维与基体间界面黏结性较弱和在热循环过程中因热膨胀系数不匹配而产生界面破坏的问题,通过低温聚合得到含有较多共轭结构的聚吡咯(PPy)对预处理后碳纤维(CF)进行表面改性,分别在0、30、60℃下制得碳纤维/聚吡咯复合纤维(PPy/CF),并研究了不同聚合温度下制备的CFRPs的界面结合性能、热膨胀性能和热循环稳定性能。结果表明:PPy/CF-0纤维的表面粗糙度与CF相比增加了2.09倍,这有利于树脂锚定在碳纤维表面,从而提高界面结合性能;并且PPy/CF-0纤维表面的聚吡咯层具有较完善的共轭结构,整体表现为负热膨胀系数,使得复合材料的层间剪切强度和界面剪切强度分别达到了CF的1.56倍和1.70倍;此外还使得CFRPs的热循环稳定性有了较明显的提升,经100次热循环实验后,其剪切强度仍能保持在初始数值的70%以上。

碳纤维增强树脂基复合材料的层间颗粒增韧技术研究进展

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有高强高模的优点,被广泛应用于汽车、体育、船舶、航空航天等领域,达到了材料轻量化的要求。目前使用较多的树脂基体以环氧树脂(EP)等热固性树脂为代表,普遍存在脆性大、韧性差的问题,导致复合材料层合板容易在层间发生开裂。层间增韧是一种有效的增韧方式,它可以在不改变基体树脂粘度的情况下对特定区域进行增韧,提高材料的断裂韧性。本文介绍了层间断裂模式并总结了层间断裂韧性(ILFT)测试的数据处理方法,总结了聚合物颗粒与无机纳米颗粒(主要是碳纳米管)的颗粒种类、增韧机制、引入方式,并主要通过层间断裂韧性评价了各种颗粒的增韧效果。

BN粒子改性PVDF电纺纤维膜插层增强碳纤维/环氧树脂复合材料层间韧性

针对纤维增强复合材料层压板的分层失效问题,本文提出了一种氮化硼(BN)粒子改性聚偏氟乙烯(PVDF)电纺纤维膜以插层方式增强碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料层间断裂韧性的方法。通过超声处理将BN均匀分散于PVDF溶液中,利用静电纺丝方法制备了BN改性PVDF纤维膜(BN&PVDF),作为插层材料被引入碳纤维的层间,采用手工铺设-真空热压法制备BN&PVDF增强CF/EP复合材料层压板(BN&PVDF-CF/EP)。重点研究了BN粒子含量对改性PVDF电纺纤维膜增强CF/EP层间断裂韧性的影响及相关增韧机理。研究结果显示:当BN含量为3.2wt%时,BN&PVDF电纺纤维膜的增韧效果最好,相对于CF/EP,BN&PVDF-CF/EP的Ⅰ型层间断裂韧性提高了129.6%,Ⅱ型层间断裂韧性提高了160.6%;BN粒子引入后,提高了PVDF的拉伸强度和模量;SEM分析显示,BN粒子被部分镶嵌于PVDF纤维上,提高了PVDF纤维表面的粗糙度,增强了PVDF纤维与基体的界面相互作用,引起了更加复杂的增韧形式并提高了PVDF纤维的增韧效果。

麻纤维增强改性环氧树脂复合材料声学性能研究

为验证麻纤维增强改性环氧树脂复合材料的声学性能,探讨植物纤维改性材料制备某类乐器的可行性,以亚麻、黄麻、苎麻等麻纤维材料为例,制备了几种不同麻纤维增强改性环氧树脂材料,以增强改性环氧树脂材料代替木材制作打击乐器,采用自由振动方法对打击乐器的声学性能进行测试。结果表明:黄麻、苎麻增强改性后的环氧树脂基复合材料声学性能各占优势,与一般的枫木相比力学性能更好,但综合声学性能尚无法达到天然枫木的水平。

桥梁工程中的纤维增强树脂基复合材料应用进展

为满足恶劣环境条件下现代化桥梁工程高质量建造所需材料的力学性能、耐腐蚀性及耐疲劳性等要求,基于纤维增强树脂基复合材料的优异性能,从公路桥、观赏桥、梁式桥以及超大跨度悬索桥等不同工况要求下的桥梁建设出发,总结了纤维增强树脂基复合材料的发展与应用现状。指出纤维增强树脂基复合材料在桥梁工程应用中仍存在应力损失、受风力影响大及回收处理难等弊端,并提出了主要的解决思路。

MXene-氧化石墨烯改性碳纤维/聚乳酸复合材料制备及其力学性能

为提高聚乳酸(PLA)的力学性能,以碳纤维(CF)为增强体,研究了CF、聚乙烯亚胺(PEI)和MXene-氧化石墨烯(MXene-GO)改性CF对PLA力学性能的影响。首先,通过PEI在CF表面引入活性胺基基团,得到PEI-CF;其次,通过MXene-GO改性CF-PEI;最后,通过双螺杆挤出机和注射成型方法制备了不同CF/PLA复合材料,探究了PEI和不同MXene-GO质量分数改性CF对CF/PLA复合材料力学性能的影响。结果表明:PEI和MXene-GO改性后CF/PLA复合材料的弹性模量得到了改善;由于纤维的长度小于临界增强长度,PEI和MXene-GO改性对CF/PLA复合材料的拉伸强度影响较小;此外,随着MXene-GO的添加及其质量分数的增加,CF-PEI/PLA复合材料拉伸断裂面越来越不平整,PEI-MXene-GO改性后的CF/PLA复合材料断裂面出现断裂碎片。

碳纤维增强木质素基酚醛树脂复合材料的制备及其性能

采用碱催化酚化的方式增加木质素反应活性以替代苯酚,用于制备酚醛树脂及碳纤维增强木质素基酚醛树脂复合材料,探讨了碱催化酚化工艺条件对木质素结构的影响,表征了不同取代比的木质素基酚醛树脂的结构,以及碳纤维增强木质素基酚醛树脂复合材料的形貌和力学性能。结果表明:经碱催化酚化的木质素反应活性明显增加,最佳工艺条件为温度90℃,时间90 min,碱用量4%(w);木质素基酚醛树脂与传统酚醛树脂结构相似,当木质素替代率为30%(w)时,可获得弯曲性能和层间剪切强度高的碳纤维增强木质素基酚醛树脂复合材料。

楔块耦合的碳纤维增强复合材料褶皱缺陷全聚焦成像

褶皱是碳纤维增强复合材料中最主要的缺陷类型之一,当使用超声相控阵对复合材料薄板进行检测时,由于采集系统非线性效应和电子串扰等干扰会引发盲区现象,掩盖了薄板内的褶皱信息。为削弱盲区影响,考虑在相控阵与复合材料薄板(小于10 mm)之间增加楔块,提出楔块耦合的最短路径射线追踪全聚焦方法。基于费马原理与斯涅耳定律,建立楔块耦合的多层介质超声波传播模型;制备含褶皱缺陷的碳纤维增强复合材料试样,搭建超声相控阵数据采集系统,采集全矩阵数据;将楔块耦合的最短路径射线追踪全聚焦方法和传统全聚焦方法的成像效果进行对比。结果表明,基于楔块耦合的最短路径射线追踪全聚焦方法能减小试样表面盲区深度,修正声时偏差,削弱盲区影响,恢复出试样内的褶皱缺陷。相比传统全聚焦方法,纤维褶皱长度、褶皱顶部高度、褶皱角度这3个参数表征的精准程度分别提高了5.9%、4.1%、4.2%。该文为碳纤维增强复合材料薄板褶皱缺陷的检测提供了新思路。

不同腐蚀环境对含冲击损伤的碳纤维复合材料压缩性能的影响

碳纤维复合材料的性能很大程度上受使用环境的影响。本文研究了同一温度(70℃)下三种老化环境(蒸馏水、质量分数均为10%的硫酸溶液和氢氧化钠溶液)对T700碳纤维/环氧树脂基复合材料的压缩性能和含冲击损伤复合材料的压缩性能的影响;并研究分析了其质量变化、老化前后的表面形貌、傅里叶变换红外光谱(FTIR)及动态力学性能。结果表明:在蒸馏水和酸溶液中,质量变化率曲线符合FICK第二定律,质量变化率越大,材料的压缩性能、含冲击损伤材料的压缩性能和玻璃化转变温度下降越大,表面形貌破坏越严重;在碱溶液中,试样破坏严重,树脂也发生了化学反应,材料的性能和玻璃化转变温度不但受吸湿的影响,而且也受树脂化学反应的影响。研究结果对T700碳纤维/环氧树脂基复合材料在复杂环境下的使用和贮存具有重要的工程实际意义。

纤维增强树脂基复合材料在船舶领域的应用综述

纤维增强树脂基复合材料(fiber reinforced polymer,FRP)因其具有耐化学腐蚀和耐候性好等优异性能,其大面积使用能够实现船舶的高航速、低排放、远续航,进而成为现代造船的理想材料之一.文中主要从成型工艺、应用现状及其发展趋势三个方面对FRP在船舶领域的应用前景进行概述与分析.首先,基于对多类型船用FRP复杂制备工艺的概述,统计了最常用的船舶FRP性能参数及分析了各类型FRP的应用优势;然后,根据FRP在船舶上的不同应用场景,对其在船体制造的应用现状进行了详细概述.最后,依据现代船舶装备发展需求,从船舶制造技术发展方向、应用场景及结构化发展等方面对船舶FRP应用发展趋势进行了全面分析.

碳纤维增强复合材料黏结型锚固体系弯拉性能试验研究

为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)黏结型锚固体系的弯拉性能,对设计的锚固体系试件进行了10组轴向拉伸试验与12组弯拉试验。在锚固体系优化基础上研究了CFRP筋直径、弯曲半径改变下试件的极限承载力、破坏模式、锚固效率及CFRP筋荷载‒应变关系。结果表明,锚固体系的弯拉承载力折减量系数随CFRP筋弯曲半径的增大而减小,CFRP筋直径越大试件承载力折减量系数越大,并且CFRP筋横向约束有利于弯拉极限承载力的提高。此外,CFRP筋荷载‒应变曲线的非线性变化是试件失效前的典型特征。弯曲半径和CFRP筋直径的比值与锚固效率系数为线性关系,比值在2.4‰以下时试件的弯拉锚固效率系数小于80%,试件呈不均匀断裂和剪切的破坏形式。

纳米颗粒填充玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能

为探究纳米颗粒[纳米氧化铁(NFe)、纳米二氧化硅(NS)、多壁碳纳米管(MWCNT)]填充玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(GFRP)的力学性能,对纳米颗粒质量分数分别为0.1%、0.2%、0.5%、1.0%的纳米颗粒/GFRP材料开展了拉伸、压缩、弯曲及冲击力学性能试验,并结合扫描电镜(SEM)分析了纳米颗粒的种类及质量分数对试件力学性能的影响规律。结果表明,随着纳米颗粒质量分数的增加,试件拉伸强度均先增大后降低,纳米颗粒的良好分散性及与树脂间的黏聚力能够提升试件的拉伸强度,但过量纳米颗粒的掺入会形成积聚现象,使得试件拉伸强度降低。相较于GFRP试件,掺入纳米颗粒的质量分数为0.1%、0.2%、0.5%和1.0%时,MWCNT/GFRP抗压强度的增幅分别为25.31%、36.04%、26.84%和27.25%,弯曲强度的增幅分别为58.74%、63.21%、40.89%及43.11%,纳米颗粒的掺入使得试件抗压强度、弯曲强度、冲击强度均得到改善,颗粒种类及质量分数的不同使得试件力学性能提升效果存在差异。SEM试验结果表明,外荷载作用下纤维出现断裂、分层现象,纤维与纳米颗粒间存在的摩擦效应增强其力学性能,颗粒的积聚使得试件力学性能降低。

纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程数值模拟研究进展

纤维增强热固性树脂基复合材料在高端制造领域应用广泛,其固化过程涉及树脂流动、固化反应发生、残余应力引发固化变形等多个步骤。数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料的工艺成型过程是一个多场耦合的复杂问题,建立完善的数值模拟方法用来预测其成型过程中的固化行为对于工艺类型选择、工艺参数设计和复合材料构件性能优化具有重要的理论与实践意义。本文归纳了数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程的主要研究进展,并讨论了不同数值模型的适用条件,通过分析同一问题不同模型的适用条件可以为复合材料固化工艺及参数设计的选择提供指导。提升精度和降低成本是数值模型迭代优化的主要研究方向。在此基础上,本文对数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程进行了总结,并认为未来可以从复合材料的树脂流动多尺度建模、机器学习与材料基因组方法在复合材料的构件优化设计中的应用和残余应力对复合材料的性能及使用寿命的影响等方面开展研究。

玻璃与碳纤维混杂增强复合材料3D打印与实验

本研究基于热塑性材料熔融沉积成型工艺,研制了双喷头连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构增材制造平台,制备了不同混杂比的纤维增强热塑性复合材料结构试件,分析了不同结构试件的弯曲力学性能与失效模式,探索了嵌入碳纤维智能层的混杂纤维增强热塑性复合材料的力阻行为。结果表明:比较纯热塑性材料结构件,玻璃纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了115.99%,碳纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了198.76%;玻璃纤维与碳纤维混杂增强复合材料结构件具有负弯曲强度混杂效应和正弯曲模量混杂效应。可根据碳纤维电阻相对变化率对混杂增强复合材料结构的应变与断裂破坏状态进行实时自感知。研究结果为连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构件的高质高效制造与智能化提供了新工艺与新思路。