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。

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%。

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。

碳纳米管基体改性碳纤维增强环氧树脂基复合材料的性能研究

为研究碳纳米管(CNTs)对碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CF/EP复合材料)性能的影响,采用超声共混的方式将CNTs引入到CF/EP复合材料基体体系中,制备CNTs基体改性碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CF/EP-CNTs复合材料)。对两种复合材料的黏弹性能、热稳定性能、弯曲性能和耐疲劳性能进行测试。结果表明40.0℃时CF/EP-CNTs复合材料的储能模量E′值较CF/EP复合材料提高了16.1 GPa,Tg值略有降低;CF/EP-CNTs复合材料开始热降解的温度较CF/EP复合材料低,热稳定性略有下降;CF/EP-CNTs复合材料的弯曲强度和弯曲模量比CF/EP复合材料分别提高了6.3%和15.9%;经40000次弯曲疲劳后,CF/EP-CNTs复合材料的弯曲强度保持率和弯曲模量保持率高达90.7%和93.8%。

聚氨酯/纳米SiO_(2)改性碳纤维增强环氧树脂复合材料界面性能

聚合物与纤维之间的界面性能对提升复合材料力学性能尤为重要。本文采用异氰酸根(-NCO)封端的聚氨酯(PU)分子对纳米SiO_(2)表面进行改性,同时采用KH550对碳纤维(CF)进行表面改性,利用-NH2与-NCO较高的反应活性,在CF和纳米SiO_(2)粒子间通过PU分子链形成共价键连接。结果显示:PU极性分子链的引入,提高了CF的表面能,使其表面润湿性显著提高。相较于KH550直接接枝纳米粒子的碳纤维(CF-KH550-SiO_(2)),通过PU分子链接枝纳米粒子的碳纤维(CF-KH550-PU-SiO_(2)),其表面能提升23.0%,表面纳米SiO_(2)粒子的接枝率和分散均匀性也明显提升。CF-KH550-PU-SiO_(2)/环氧树脂(EP)的界面剪切强度(IFSS)和层间剪切强度(ILSS)相比未改性CF/EP分别提高72.9%和47.9%,相比CF-KH550-SiO_(2)/EP分别提高17.3%和11.2%。

碳纤维增强环氧树脂复合材料在切向气流和激光作用下的损伤

实验研究了靶板表面有0.4Mach(1Mach=340m/s)切向空气气流、0.4Mach切向氮气气流和无气流时,976nm连续激光对碳纤维增强E-51环氧树脂复合材料的辐照效应,得到了该材料在不同功率密度下的烧蚀规律。实验结果表明:当样品发生剧烈热分解时,随热分解气体流出边界的固体颗粒对入射激光有屏蔽作用;切向气流一方面可以减弱这种屏蔽作用,有利于辐照区的烧蚀,另一方面对样品有冷却作用,不利于烧蚀;相比于氮气流,空气流有助于产物的燃烧,对下游附近区域产生明显的加热作用;切向空气气流的加载会明显提高扩散到样品表面的氧气浓度,导致碳纤维发生氧化烧蚀;三种气流状态下,当入射激光功率密度在100～800W/cm2范围内,随着功率密度的增大,激光能量的利用效率逐渐降低。

硫酸盐干湿交替对碳纤维增强环氧树脂-混凝土界面粘结性能的影响

为了研究硫酸盐腐蚀对碳纤维增强环氧树脂复合材料(CF/EP)-混凝土界面性能退化的影响。通过硫酸盐干湿交替加速腐蚀试验模拟硫酸盐环境,对硫酸盐腐蚀下CF/EP-混凝土界面粘结性能退化规律进行了研究。结果表明:硫酸盐干湿交替作用对CF/EP-混凝土界面的破坏形态影响较大;界面粘结性能(峰值剪应力、极限承载力和初始剪切刚度)随腐蚀时间呈先小幅增加后加速下降的趋势。在试验和已有界面理论的基础上,提出了考虑腐蚀时间的界面粘结-滑移模型,通过模型预测数据与试验数据的对比分析,该模型能够很好反映硫酸盐干湿交替作用下界面粘结性能退化规律。

碳纤维增强环氧树脂基复合材料轴管的低速冲击失效机制及剩余压缩性能

采用落锤冲击试验模拟低速冲击过程,对碳纤维增强环氧树脂基复合材料传动轴的轴管在不同能级冲击下的损伤行为以及冲击后的剩余压缩性能进行了研究;通过ABQUAS有限元分析软件和X射线断层扫描技术(CT)相结合的方法观察了复合材料轴管在受到低速冲击时的损伤形式,研究其内部损伤规律。结果表明,复合材料轴管的抗冲击形变能力随着冲击能量的增加先增强后减弱,在冲击能量为10~20 J之间出现最大值。CT无损检测结果显示复合材料轴管的失效形式包括分层损伤、树脂开裂和纤维破裂(断裂)。在低能量冲击时,复合材料轴管主要产生分层损伤和树脂的开裂,而纤维断裂损伤只出现在冲击位置,且随着冲击能量的增加纤维断裂现象愈加显著。有限元仿真结果显示复合材料轴管中的碳纤维在拉伸方向的失效明显小于压缩失效,压缩失效沿纤维排布方向扩散,拉伸失效沿轴向和横向呈十字扩散,轴向失效的程度大于横向失效的程度;而树脂的压缩失效沿轴向从冲击位置向横向扩散,扩散形状近似圆形,越靠近圆心失效越明显,拉伸失效范围呈十字,整体失效沿十字边缘扩散。

碳纤维增强环氧树脂复合材料金字塔点阵夹芯假脚结构在竖向载荷下的力学性能

对碳纤维增强树脂复合材料金字塔点阵夹芯假脚结构在竖向载荷下的力学性能进行研究。制备了三种不同相对密度的假脚,并进行了竖向载荷压缩试验。结果表明,相对密度对结构力学性能的影响显著,载荷-位移曲线呈非线性,峰值载荷和刚度值随相对密度的增加而增大,三种相对密度的破坏模式均为节点的失效和面板的皱曲,结构具有一定的能量吸收能力。建立了金字塔点阵夹芯假脚结构的理论强度预报模型,给出了结构在竖向载荷作用下的挠度响应,获得了四种失效模式和临界破坏载荷。对比了理论计算与试验的峰值载荷、破坏模式和挠度,得到较好的一致性。给出假脚结构参数(面板厚度、杆件角度和杆件直径)对破坏模式和破坏临界载荷的影响,并绘制了结构失效机制图。

碳纤维增强羟基磷灰石/环氧树脂复合材料的制备与力学性能

采用树脂传递模塑 (RTM)工艺制备了碳纤维增强环氧树脂以及碳纤维增强羟基磷灰石 (HA) 环氧树脂两种复合材料 ,并测试了其力学性能。结果表明 ,RTM工艺可以基本保证环氧基体均匀浸入碳纤维织物内部。碳纤维增强HA 环氧复合材料的冲击韧性高于碳纤维增强环氧复合材料 ,而弯曲强度和弯曲模量低于碳纤维增强环氧复合材料。两种复合材料的弯曲强度远高于人体皮质骨 ,弯曲模量与皮质骨非常接近。动态力学分析 (DMA)表明加入HA后 ,复合材料的贮存模量和内耗降低 。

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。

拉挤成型碳纤维增强EP复合材料高低温力学性能

为了研究环境温度对轨道交通车辆复合材料力学性能产生的影响,以4轴向碳纤维经编布为增强体,环氧树脂(EP)为基体,采用拉挤成型制备了碳纤维增强EP复合材料板。研究了复合材料在三种环境温度(–50,23,70℃)下的拉伸与弯曲性能,并计算B基准值。结果表明,随着温度的升高,其力学性能呈现下降趋势。开孔拉伸性能变化较小,弯曲性能更易受到温度的影响,与常温条件相比,高温状态下弯曲强度下降28.8%,弯曲弹性模量下降8.3%,低温下弯曲强度上升20.3%,弯曲弹性模量变化不大,仅为2.4%。从计算数据看,在复杂的环境温度下该种成型材料也能够基本满足较高的力学性能要求,为扩展碳纤维增强EP复合材料从小型辅助件到大型主体承力件的应用研究提供了依据。

国产T700级碳纤维及复合材料性能表征

研究了两种国产T700级碳纤维微观形貌以及相应的环氧树脂基复合材料的基本力学性能,并与日本东丽T700碳纤维进行比较。结果发现,与表面光滑的东丽T700碳纤维相比,国产碳纤维表面有颗粒附着,呈凹凸不平的形貌;国产Ⅰ型和东丽碳纤维较国产Ⅱ型碳纤维的力学性能稳定性更好,国产Ⅰ型碳纤维与东丽纤维力学性能数据相近,其中国产Ⅰ型碳纤维复合材料拉伸强度为2323MPa、拉伸弹性模量为143GPa、弯曲强度为2327MPa、弯曲弹性模量为140GPa。

树脂基复合材料表面隔热涂层的组织与性能研究

以碳纤维增强环氧树脂作为基体材料,设计并制备了一种轻质、环保的隔热涂层。为解决基体材料与涂层之间热膨胀系数差别大导致易于开裂的问题,同时实现具有高反射率和低热导率的目标,通过添加聚氨酯、TiO2、SiO2、Al2O3等填料制备连接层、阻隔层、反射层等三个不同功能层形成复合隔热涂层。通过优化涂层脱落时间、反射率、热导率等,得到连接层、阻隔层、反射层最优厚度分别为80、120和90μm。优化后的隔热涂层具有优异性能:涂层的反射率高达0.95,导热系数为0.048 W·m–1·K–1,隔热温差为20.1℃;耐热冲击性能良好, 190℃的最大失重率为3.7%,并在随后保持稳定;在160℃连续保温4h后表面变黄,但无明显脱落现象,同时,纳米填料颗粒保持原状态。

PEEK层间增韧碳纤维环氧树脂基复合材料的性能研究

为了改善碳纤维/环氧树脂(CF/EP)层合板层间断裂韧性较差的问题,采用预浸料层间涂层和模压工艺制备聚醚醚酮(PEEK)层间增韧CF/EP层合板。探究PEEK含量对CF/EP层合板Ⅱ型层间断裂韧性和冲击强度的影响。结果表明:PEEK的加入有效提高CF/EP层合板的Ⅱ型层间断裂韧性和冲击强度。当PEEK含量为2%,层合板的断裂韧性和冲击强度分别达到1 253 J/m^(2)和259 kJ/m^(2),与纯层合板相比分别提高61.5%和32.8%。实验分析PEEK增韧机理,为研究高附加值复合材料产品提供参考。

层间混杂层合板弹道冲击损伤对比研究

降低树脂基碳纤维层合板的弹道冲击损伤范围对降低飞行器的易损性有重要意义。分别对表面铺覆玻璃纤维和芳纶纤维构成层间混杂的复合材料层合板进行气炮冲击试验,运用超声无损检测方法测量层合板的弹道冲击损伤范围,并进行对比研究。结果表明:与非混杂层合板相比,给碳纤维层合板表面铺覆玻璃纤维或芳纶纤维均可减小弹道冲击穿透性损伤的范围,混杂玻璃纤维效果更好,但混杂界面均容易发生大范围分层损伤,应避免将玻璃纤维等韧性铺层铺覆在冲击背面。

预固化环氧树脂基复合材料自粘结性能研究

通过拉丝法测定了5228A环氧树脂在不同温度下的凝胶时间,选择了特定的预固化温度;在预固化温度下制备了不同预固化度的碳纤维增强环氧树脂基复合材料,采用DMA测试了预固化复合材料层板的玻璃化转变温度;采用自制粘接模具制备了复合材料自粘结接头,测试了复合材料接头的搭接剪切性能;采用光学显微镜观测了自粘结搭接结构和剪切断口形貌,分析了搭接结构对剪切强度的影响。结果表明:复合材料层板的预固化度<αgel时,接头的搭接剪切强度变化不大,当预固化度>αgel时,接头的搭接剪切强度降低幅度较大;剪切性能受搭接结构的完整性影响较大。

非平衡刚度胶-铆混合连接接头特性及失效机制

为解决汽车轻量化中混合材料车身的异质材料连接问题,研究了碳纤维增强环氧树脂复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)与铝合金非平衡刚度四钉压铆胶接混合连接接头力学性能及失效机制.基于重导入和预定义场技术,建立了CFRP/Al非平衡刚度混合连接接头的非线性有限元分析模型,据此对混合连接压铆、回弹及拉伸载荷渐进失效机制进行仿真;对混合连接与单一连接力学性能和失效形式进行了对比分析.结果表明,所提出的建模方法能够同时考虑铆接成型过程和混合连接工艺顺序对混合接头连接特性的影响,混合连接最大载荷及能量吸收预测误差分别为2.3%、5.2%,具有较高的性能预测精度;铆接在失效初期对胶接具有加强作用,失效形式为先胶层失效后铝板拉伸失效,仿真与试验结果较为一致.

3种材料在柔性机械臂振动抑制中的特性对比

在所设计的柔性机械臂的基础上,利用SolidWorks Simulation对合金钢、铝合金、碳纤维增强环氧树脂基复合材料3种结构材料的机械臂进行线性动态分析,分别从谐波分析和瞬态振动分析两个方面对机械臂进行仿真。结果表明,碳纤维增强环氧树脂基复合材料对机械臂具有明显的减振作用,其振动衰减速度及振动衰减效果要优于传统合金材料,为机械臂的设计及振动抑制提供了参考。

医学成像系统中的先进复合材料解决方案

碳纤维增强环氧树脂是一种先进复合材料,它采用碳纤维和环氧树脂通过一定的复合成型工艺制成,具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、透电磁波和耐腐蚀等优异特性,优于传统的玻璃纤维增强复合材料,已被用于开发和制造各种医疗器械和零部件。着重介绍CT扫描成像系统中的先进复合材料解决方案,包括材料的性能和选择,CT床面板和头托部件的制造工艺技术等,为新型医用复合材料部件的开发和应用提供参考。