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。

偶联剂对碳纤维增强乙烯基树脂复合材料界面性能影响研究

本文采用偶联剂添加的方法,分别研究了偶联剂种类、偶联剂用量、添加工艺对碳纤维增强乙烯基树脂复合材料性能的影响。分别使用硅烷偶联剂和大分子偶联剂对复合材料进行改性,结果显示大分子偶联剂对碳纤维增强乙烯基树脂复合材料的性能提升更为显著。对于不同种类的碳纤维织物,大分子偶联剂的增强效果不同。对于某国产T700碳纤维织物,随着大分子偶联剂的加入,复合材料性能不断提升,当用量为1.5%时,其层间剪切强度提升了41.4%(由24.4 MPa升至34.5 MPa)。而将大分子偶联剂用于某东丽T700碳纤维织物的改性时,其性能呈现出下降的趋势。此外,对比采用不同添加工艺时复合材料的性能提升幅度和数据分散性发现,大分子偶联剂在树脂中添加使用的工艺优于对碳纤维织物表面喷涂使用的工艺。

电热作用对碳纤维增强树脂基复合材料层板冲击性能的影响

针对航空结构用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层板结构在低电流(安培级)作用下对其冲击性能和吸能特性的影响进行研究。结果表明,电热作用使得CFRP层板的温度迅速升高,随着电流强度增加,电热作用产生的焦耳热显著增加;同时,CFRP层板的电阻率随电流强度增大而降低,呈现出温敏效应。在相同冲击能量下,随着加载电流强度增加,CFRP层板的冲击响应完全不同,临界损伤冲击应力和最大冲击应力随加载电流强度增大而减小,且下降幅度随之增大;随着加载电流强度增加,CFRP层板对冲击能量吸收显著增加。冲击损伤分析可知,在相同冲击能量下,CFRP层板的冲击损伤面积随着电流强度增加而增大,损伤程度越严重,失效机制由基体裂纹、微小分层转变为大量纤维断裂、基体破碎等,即冲击损伤模式由微弱的冲击损伤转变为可见的冲击损伤;冲击凹坑深度也随着电流强度增加而显著加深,冲击凹坑回弹率也显著降低。

碳纤维增强树脂基复合材料与金属典型连接件电偶腐蚀的研究进展

为了给碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的设计和使用提供依据,针对碳纤维复合材料与金属间电偶腐蚀的问题,从碳纤维及碳纤维复合材料的结构与性能特点出发,阐述了碳纤维复合材料种类、金属材料种类、服役环境和结构件连接方式对碳纤维复合材料与金属之间电偶腐蚀的影响。其中,碳纤维复合材料与金属之间的铆接、螺栓连接和胶接可对电偶腐蚀产生不同的影响,而这方面的研究尚少,是今后研究的重要内容之一.

注射成型制备的碳纤维聚丙烯复合材料蠕变性能

碳纤维热塑性树脂基复合材料在极端环境及长期服役条件下的蠕变行为会使结构件的形状发生改变,影响其性能稳定性,因此对该种材料蠕变性能的研究是材料设计及应用的关键。本文通过对注射成型制备的碳纤维增强聚丙烯复合材料进行单轴拉伸蠕变试验,研究其蠕变行为,并基于以上试验数据得到该种材料的Burgers模型理论方程,采用Moldex3D模流分析软件模拟注射成型哑铃型试样内部碳纤维的取向和分布情况,将该模拟结果映射到ABAQUS中进行有限元分析。结果发现Burgers模型的拟合曲线与试验曲线吻合程度较高,能够用于更长时间以及更广范围应力水平下该种材料的蠕变行为预测;模流分析结果与实际试样横截面观察结果具有较好的一致性;注射成型过程中碳纤维取向及分布会影响最终成型试样的蠕变行为,采用模流分析与有限元分析相结合的方式能够更好地反映材料的蠕变进程。

碳纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料体系冲击后压缩强度研究

探讨了树脂基体、碳纤维增强体以及树脂基体 纤维的界面等对双马来酰亚胺 (简称双马 )树脂基复合材料冲击后压缩强度 (CAI)值的影响 ,指出降低树脂基体的交联密度和产生微观两相结构是提高碳纤维 /双马复合材料CAI值的两个典型方法。合适的树脂含量有利于保持复合材料体系较高的CAI值 ,采用高强高韧性的碳纤维可明显提高复合材料体系的CAI值。为获得较高的CAI值 ,保持合适的树脂基体

飞机结构强度试验中碳纤维增强树脂基复合材料无损检测技术

新型飞机大量使用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)作为结构用材,为确定CFRP结构强度试验后的最终损伤状态,必须制定相应的无损检测方案与损伤评定方法。针对强度试验后CFRP工件表面粘接物对检测效率的影响、变厚度弧形CFRP结构原位检测损伤识别以及CFRP结构冲击损伤定量基准波选取等关键技术,结合强度试验中无损检测的特点,采用现场检测典型信号分析的方法,提出了CFRP结构强度试验中的无损检测方案和损伤评定方法,最后通过实验验证了检测方案和评定方法的有效性。

一个单向碳纤维增强树脂基复合材料导电结构模型

本文报导了一个单向碳纤维增强树脂基复合材料导电结构模型，可用单位截面上邻近碳纤维的搭接点数目和两相邻搭接点的距离来表征这种导电结构的基本特征。实测试样电阻与试样尺寸的关系与理论曲线基本吻合。

超声振动辅助切削对碳纤维增强树脂复合材料面下损伤影响的仿真研究

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在传统加工(OC)过程中存在着切削力过大、表面质量不佳、面下损伤较为严重等问题。为了改善上述问题,本文提出使用超声振动辅助切削(UVC)工艺加工CFRP,通过仿真分析对切削力与面下损伤深度进行研究。结果表明:使用UVC加工CFRP可降低13%~80%的切削力,且纤维方向角对切削力影响较小。与OC相比,UVC切削0°、45°纤维方向角的CFRP时可以减少约50%的面下损伤深度;在切削90°、135°纤维方向角的CFRP时虽然没有改善面下损伤深度,但取得了较为平整的已加工表面以及较小的损伤区域。

不同纤维方向角时碳纤维增强树脂基复合材料切削力建模

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)切削中,存在纤维断裂、基体失效和界面相失效等多个过程,且不同纤维切削角时切屑形成机理不同,因而CFRP切削力的有效预测非常困难。对此本文结合最小势能原理和Winkler弹性地基梁理论,基于CFRP代表性单元(RVE),利用其微元求解纤维挠曲变形方程,分别分析了不同纤维方向角时三个切削变形区的力学行为,并完成纤维临界损伤长度的预测,最终形成不同纤维方向角时的CFRP切削力解析模型。通过CFRP直刃铣刀铣削实验,进行了切削力模型的验证,当纤维方向角在0°~180°时,切削力计算值和实验值随纤维方向角的变化趋势相吻合,切削力大小误差在15%以内。切削力随纤维方向角的增大先增后减,分别在90°和45°附近转变变化趋势。切削形貌表明,纤维方向角为135°时,CFRP铣边加工质量较差,临界损伤长度也较大。建立的切削力解析模型可以较为准确地预测CFRP正交切削力,可为CFRP切屑形成中的力学行为分析提供理论指导。

普通麻花钻与三刃麻花钻钻削碳纤维增强树脂基复合材料的性能

采用普通麻花钻和三刃麻花钻对碳纤维增强树脂基复合材料进行了钻削试验,研究了钻头结构、顶角对钻削轴向力及加工孔内壁粗糙度的影响。结果表明:普通麻花钻的顶角越大,钻削轴向力越大;三刃麻花钻顶角的增大对钻削轴向力没有明显影响;三刃麻花钻钻头扭转振动引起钻削轴向力的波动明显小于普通麻花钻的,且前者加工孔的内壁粗糙度小于后者的;随着顶角的增大,两种钻头加工的孔内壁粗糙度都得到了显著降低。

热固性碳纤维复合材料回收技术研究进展

对树脂基碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)的回收技术进行了总结,比较了不同回收策略的经济性、环保性与降解机理,说明了温和化学回收法的发展潜力以及由此发展起来的绿色循环闭路工艺的新趋势。在对比不同CFRP回收技术优缺点的基础上,展望未来CFRP回收技术在碳纤维高性能维持、结构完整性保持及实现碳纤维闭环回收等问题上仍值得关注;同时,设计新型树脂基材料也是解决当前CFRP循环回收难题的重要思路。

碳纤维增强树脂基复合材料钻削缺陷研究进展

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)以其优异的物理性能和柔性的结构功能在航空领域应用广泛,而钻削是实现CFRP结构件装配连接的关键制造工艺。由于CFRP具有非均质和各向异性特性,其制孔过程涉及复杂的切屑去除与表面创成机理,极易产生严重的加工损伤。在文献调研的基础上对CFRP切屑去除机理与钻削过程进行简述,然后对CFRP钻孔损伤模式进行分类,重点对CFRP钻孔分层、撕裂、毛刺等缺陷进行综述,阐述了此类缺陷的一般形成机制和评价方法,归纳了工艺条件对CFRP制孔损伤的影响规律。最后,总结了现有CFRP制孔缺陷抑制策略与方法,并指明了其未来发展方向。

碳纤维增强PVC树脂基复合材料的生产工艺及发展前景

碳纤维有着较高的弹性模量和比强度,该纤维对PVC树脂材料具有较好的改性效果,使符合材料具有较高的拉伸强度、粘弹性和耐疲劳性。论文介绍了碳纤维增强PVC树脂基复合材料的模压成型工艺,分析了混炼和压片的工艺参数,讨论了工艺过程中的影响因素。结果表明,复合材料CF/PVC的模压温度为175℃,升温速度为4℃/min,CB/PVC的模压温度为180℃,升温速度为5℃/min,成型压力均为10 MPa,最后探讨了碳纤维树脂基复合材料的发展前景。

考虑左旋切削刃切削连续性的碳纤维增强树脂基复合材料铣削研究

采用右旋切削刃铣刀加工碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)时,纤维层受单向轴向力作用而易产生分层、毛刺等损伤,采用左右旋切削刃共存的多刃微齿铣刀对纤维层施加双向轴向力能有效抑制损伤,但如何保证每层纤维都受到左右旋切削刃的切削作用成为抑制损伤的关键。以多刃微齿铣刀为研究对象,通过设计不同的分屑槽螺旋角,获得左旋切削刃切削面积连续、重叠及未连续三种类型的铣刀。通过实验研究发现:切削面积连续时,CFRP加工表面有少量毛刺及翻边;切削面积重叠时,CFRP加工表面无毛刺及撕裂损伤,效果最好;切削面积未连续时,加工表面有大量毛刺和撕裂损伤;此外,表面粗糙度值会随着分屑槽螺旋角的增大而增大。

碳纤维增强树脂基复合材料与铝/镁合金连接研究进展

运载工具的轻量化是解决当前能源危机和环境问题的重要手段之一,得到国内外学者的高度重视。碳纤维增强树脂基(carbon fiber-reinforced polymer,CFRP)复合材料和以铝镁为代表的轻合金具有一系列优异的力学性能与加工特性,是极具应用前景的轻量化材料,实现这两种材料之间的有效连接,成为当下研究的热点。然而由于异种材料之间理化性能差异较大,在生产过程中混合应用多种轻量化材料仍面临巨大挑战。本文通过对胶接、机械紧固、搅拌摩擦及其变种工艺连接技术的研究进展、优缺点、发展趋势进行汇总分析,考察不同连接方式下获得接头的微观形貌,总结了CFRP与铝镁轻合金搅拌摩擦连接的三种机理包括宏观锚定、微观机械嵌合与化学键连接。最后,基于以上三种连接机理,指出进一步提升混合接头性能的关键在于增大金属母材表面粗糙度,增加熔融高分子面积和采用混合连接工艺。

碳纤维增强树脂基复合材料的高速电火花穿孔加工试验研究

采用高速电火花穿孔加工方法对碳纤维增强树脂基复合材料进行了通孔加工实验。为了及时冷却待加工孔的进出口表面,并吹灭电弧,避免工件材料的燃烧,通过设计专用夹具,将压缩空气和去离子水经微量润滑喷头引入工件的上下表面。当加工直径2 mm、深度2.4 mm的通孔时,对比未喷雾冷却加工,可有效减小表面热影响区,提高加工精度和表面质量,加工效率提高约21.6%,且能有效抑制加工粉尘,为碳纤维增强树脂基复合材料提供了一种新的绿色加工方法。

碳纤维增强树脂基复合材料的研究探讨

碳纤维增强树脂基复合材料因其所具有的物理和力学性能都很优异而被广泛应用在了航空航天、交通运输以及电子行业等多个领域的结构件制造。本文主要对碳纤维增强树脂基复合材料的发展进程、制备方法、应用领域、连接技术等方面进行了探讨,并对其在结构件制造方面的应用前景和发展方向进行了总结。

碳纤维增强树脂基复合材料飞秒激光精密切割工艺研究

针对碳纤维增强树脂基复合材料的切割问题,采用515 nm波长飞秒激光进行切割工艺研究,分别用热影响区宽度、切缝锥角、切割表面粗糙度表征切割质量,用等效切割速度表征切割效率,研究了激光功率、扫描速度、脉冲频率对切割质量和效率的影响规律,并进行最终的工艺优化。结果表明:在激光功率20 W、扫描速度2500 mm/s、脉冲频率50 kHz的条件下,可以获得较优的切割质量与效率,得到的切缝周围热影响区宽度约2μm、切缝锥角约1.5°、切割表面粗糙度约Ra1.6μm。

基于蜻蜓翅脉结构的连续碳纤维增强树脂基复合材料仿生设计与增材制造

以具有轻质高强优异性能的蜻蜓翅脉结构为设计灵感,在分析翅脉网格结构抗冲击原理的基础上,设计了传统和仿生两类对比结构。采用熔融挤出3D打印机成功制备了具有不同结构的连续碳纤维增强聚乳酸复合材料试样,并对不同结构复合材料试样的拉伸性能和抗冲击性能进行了测试和对比分析。研究分析结果表明:由于拉伸力方向上的连续碳纤维含量相对较少,限制了仿生结构复合材料抗拉强度的提高,但仿生结构的平均抗拉强度为传统结构的1.18倍;当仿生结构复合材料试样受到冲击力时,其内部六边形结构的连接角度会发生变化,从而极大消耗冲击能量,同时具有六边形网格结构的连续碳纤维可以有效阻碍裂纹的扩展,因此仿生结构的平均冲击韧性可以达到传统结构的2.46倍;仿生蜻蜓翅脉结构可以显著提高增材制造复合材料的综合力学性能,且对于抗冲击性能的提高具体突出效果。连续碳纤维增强树脂基复合材料的有效可行的仿生蜻蜓翅脉结构设计和增材制造,可极大扩展其在高冲击载荷领域中的相应应用。