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。

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。

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。

碳纤维增强金属基复合材料的研究进展

从界面调控和制备方法两方面综述了碳纤维增强金属基复合材料的研究进展,前者包括碳纤维表面改性和金属基体合金化,后者除了粉末冶金、扩散粘结、搅拌铸造、挤压铸造、真空压力浸渗等传统方法外,还涉及增材制造技术在此领域的应用。基于平面流动铸造法,笔者提出了采用流铸印刷法制备金属基复合材料的新技术,并介绍了一些试验结果。此外,还对碳纤维增强金属基复合材料的发展提出了建议。

碳纤维增强热固性复合材料回收再利用技术研究进展

从工艺方法出发,总结了近些年对碳纤维增强热固性复合材料回收工艺的技术进展,通过对回收的技术条件以及回收后碳纤维的性能进行分析,概述了各工艺方法的特点。简述了回收碳纤维在工业领域的再利用现状,认为对碳纤维增强热固性复合材料进行回收利用极具商业价值。最后对碳纤维增强热固性复合材料回收技术的未来发展方向进行了展望。

碳纤维增强树脂基复合材料拉挤成型工艺

概述了拉挤成型工艺的发展历程,总结了拉挤成型的碳纤维增强树脂基复合材料的应用,介绍了拉挤成型的工艺流程及原理。根据树脂在模腔中的状态,将拉挤成型过程分为预热阶段、凝胶阶段和固化阶段,从热固性树脂和热塑性树脂两方面介绍了拉挤成型工艺的树脂体系。综述了拉挤成型工艺参数包括浸胶时间、模腔温度、拉挤速度和牵引力等对复合材料性能的影响。

热固性碳纤维复合材料回收技术及再利用研究进展

碳纤维复合材料具有质量轻、比强度和比模量高、耐腐蚀、抗冲击等优点,市场规模近几年不断扩大,拥有良好的应用前景。目前国内市场以热塑性碳纤维复合材料为主,其回收再利用较为困难,碳纤维废弃物不但会造成资源浪费,同时也给生态环境带来巨大压力。文中介绍机械回收法、化学回收法、热解法3类热固性碳纤维复合材料回收工艺研究进展,同时也分别介绍所回收热固性复合材料在汽车、建筑、航天航空、增材制造领域的应用情况,并对碳纤维复合材料回收行业发展进行展望。

碳纤维增强热固性织物预浸料压实行为的试验研究

以万能试验机为平台设计了一种表征预浸料压实行为的试验方法,探究了国内外两种型号碳纤维/环氧树脂织物预浸料在不同温度、压力及铺层数下的受压响应变化规律,以此研究了在热压罐成型过程中预浸料未发生固化反应前的压实行为。结果表明:在阶梯式加压试验条件下,预浸料压实过程包括受压起始突变阶段、力保载蠕变阶段和加载后期厚度趋近阶段;压实应变随温度升高而增加,但达到一定温度后应变开始趋近于一个极限应变,18层铺层下,Cycom970预浸料在85℃之后达到极限应变0.186,国产预浸料在105℃之后达到极限应变0.301;不同压力、铺层数也会对预浸料压实行为产生影响,但两种预浸料表现出不同的变化规律。

连续碳纤维增强热固性预浸料层间滑移行为的研究

复合材料热压罐成型过程中,预浸料的层间滑移性能是影响带曲率构件成型质量的一项重要指标。利用自行设计的测试装置探究了两种不同型号碳纤维/环氧树脂预浸料在不同温度、不同压强及连续升温滑移下的层间滑移行为。结果表明:温度是影响预浸料层间滑移行为的重要因素,温度的改变使树脂黏度产生变化,同时改变了树脂在预浸料表面的分布,导致层间滑移阻力发生变化;预浸料层间滑移阻力随压强的增加而增大,600 kPa压强下预浸料的树脂层仍能起到润滑作用,摩擦机制不发生改变;两种预浸料层间滑移行为随温度升高变化趋势不同,Cycom970和国产预浸料分别在65℃左右、145℃左右时被加压可使预浸料层受到较小的滑移阻力。

连续碳纤维增强热固性酚醛树脂复合材料的3D打印工艺及性能研究

针对连续碳纤维增强热固性酚醛树脂复合材料3D打印成型工艺的技术难题,本文提出了浸渍-原位预固化-后固化的3D打印成型方案,实现了连续碳纤维增强热固性酚醛树脂复合材料的3D打印成型,并研究浸渍温度对酚醛树脂接触角与表面张力,以及打印工艺对样件形貌和力学性能的影响规律。结果表明:当浸渍温度为40℃,预固化温度为180℃时,纤维-树脂界面结合效果最佳,原料具备成型条件;当打印间距为0.5 mm时,样件的弯曲强度及模量达到最大值,分别为660.00 MPa和57.99 GPa,层间剪切强度达到20.14 MPa。此连续碳纤维增强热固性酚醛树脂复合材料一体化制备工艺解决了3D打印热固性树脂原位成型难的问题,为制备具有复杂结构的连续纤维增强热固性树脂复合材料提供了参考。

连续碳纤维增强金属基复合材料研究进展及展望

连续碳纤维增强金属基复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、耐腐蚀、抗拉伸等优良的综合性能,在新材料领域发展迅速,应用广阔。本文对连续碳纤维增强镁基、铝基、镍基、铜基复合材料的研究进展进行了综述,指出了目前各自存在的最主要问题是界面问题并对关键技术难点给出相应的研究思路,如可以从纤维涂层研究、纤维与基体界面反应等方面入手,以及加强该领域复合材料损伤机理研究。提出激光增材制造连续碳纤维增强金属基复合材料的工艺新思路,并进行了工艺研究现状论述和初步实验探索。最后指出先进制造技术对比传统工艺,在降低复合材料制备成本、改善界面强度、增加零件结构复杂度方面具有优势。

3D打印碳纤维增强塑料及复合材料的增材制造与应用

当前，新能源、新材料、3D打印技术、智能制造装备、生物技术等高科技正在一些重要领域发生革命性突破，正在引发新一轮的产业转型与变革。3D打印技术是将新材料技术、数字化制造技术和智能化制造技术植入产品设计、开发及制造，使产品的功能得到极大丰富，并在网络、云计算、大数据等先进技术强有力地支持下，通过开放、共用的互联互通网络平台，单件小批量定制化的生产制造逐渐取代大批量流水线生产制造；重复和一般技能劳动制造将不断被智能化装备和先进的生产制造方式所替代。

基于3D打印的连续纤维增强热固性复合材料性能及其应用探索

综述分析了连续纤维增强热固性复合材料3D打印研究的发展现状与技术瓶颈,并基于前期试验基础,提出了两步式3D打印解决方案,包括"纤维预浸及打印成型"与"预成型体热后固化"。3D打印制备了连续碳纤维(CCF)增强热固性环氧树脂(EP)复合材料样件,并通过力学测试发现,其拉伸强度及模量分别达到(1257±71)MPa和(96±11)GPa;弯曲强度及模量分别达到(965±80)MPa和(75±7)GPa;层间剪切强度达到(92±3)MPa。详细讨论了3D打印CCF/EP样件的纤维–树脂界面、分布以及孔隙缺陷。此外,还展示了多种连续纤维增强的3D打印复杂结构件,以验证其工艺可行性。最后,基于高导电性3D打印CCF/EP栅格,提出了其在电热除冰领域的应用尝试,并进行了人工模拟除冰试验探索。这些结果为通过3D打印数字化制造高性能热固性复合材料铺平了道路,并证明了其在先进工业应用中的巨大潜力。

增材制造连续碳纤维增强金属基复合材料性能

采用增材制造工艺方法进行具有高比强度、密度小等优良性能连续碳纤维增强金属基复合材料的直接制备。研究了连续碳纤维表面改性、路径搭接率、打印喷头温度、基板温度、打印速度等过程处理方法及工艺参数对所制备金属基复合材料抗拉强度的影响。研究结果表明,对连续碳纤维原材料实施表面改性处理,可以实现制备过程中熔融金属基体与连续碳纤维之间的良好浸润复合,以提高复合材料的抗拉强度;增大路径搭接率,可以有效提高增材制造复合材料内部纤维的体积占比,从而增大其抗拉强度;升高打印喷头温度、基板温度、打印速度,可以减小熔融金属表面张力,提高其流动性,并有利于沉积层间实现良好重熔,从而有效避免在已沉积层表面裂纹处和路径搭接区凹坑处形成气孔缺陷,进一步提升复合材料的抗拉强度。

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。

连续碳纤维增强金属基复合材料增材制造工艺

针对连续碳纤维增强金属基复合材料增材制造工艺开展系统性实验探索,研究结果表明:在对碳纤维进行表面改性后,可以实现打印过程中熔融金属基体与碳纤维的良好浸润复合;送丝速度对单道沉积路径表面质量、路径宽度及其纤维体积分数影响较大,当送丝速度为4 mm/s时,沉积路径表面质量较好,路径宽度约为1.5 mm,碳纤维体积分数约为3.43%;沉积路径搭接率对打印单层表面质量影响较大,当搭接率为50%时,单层表面质量较好;基于优化后的实验参数,实现了连续碳纤维增强金属基复合材料薄壁件以及拉伸样件的直接增材制造,薄壁件内碳纤维与金属基体形成了较好结合,而且连续碳纤维对于复合后材料的抗拉强度起到了显著增强作用.

热固性碳纤维复合材料废弃物回收及再利用现状

介绍了热固性碳纤维复合材料废弃物的回收技术,流化床技术、热裂解技术和溶剂解离法回收技术。论述了热固性碳纤维复合材料废弃物的国内外回收及再利用现状,指出应大力发展能耗小、回收效果好的复合材料废弃物工业化回收工艺,实现废弃物的资源化回收再利用。

石墨烯及其衍生物在碳纤维增强复合材料中的处理技术及应用

石墨烯及其衍生物(GRM)因其独特的二维片层全碳芳族结构,高纵横比、柔韧性好、机械强度优异等特性,可显著提高碳纤维增强复合材料(CFRP)的界面浸润性和界面粘接力,并赋予复合材料多种功能性,近年来受到人们的广泛关注并对其开展了相关研究。本文从GRM和碳纤维起源入手,聚焦GRM在CFRP中的处理技术,分别对GRM添加到聚合物基体中和GRM在碳纤维表面改性中处理技术的国内外研究现状进行了文献综述,并对CFRP-GRM在不同领域中的应用前景和难点进行了探讨,最后展望了CFRP-GRM的应用潜力和研究趋势。

基于增材制造的碳纤维/高分子复合材料研究现状

介绍了碳纤维对高分子材料改性的基本原理以及碳纤维表面处理的相关技术,并列举了近几年来采用激光烧结和熔融沉积等增材制造技术制备碳纤维/高分子复合材料的研究进展,最后对碳纤维在增材制造材料领域未来的发展进行了展望。

回收碳纤维增强环氧树脂复合材料的方法

碳纤维（CF）／环氧树脂（EP）复合材料（简称CF／EP）复合材料），具有密度小、比强度及比模量都比较高的特点。随着低碳经济的发展，碳纤维／环氧树脂复合材料在各个领域的用量迅猛增长，而且拓展到新兴的领域，如新能源、高速列车等。随着碳纤维／环氧树脂复合材料在这些高新领域的应用，所产生的热固性树脂废旧物与日俱增，一方面给环境带来了巨大的压力，另一方面复合材料中含有高价值的碳纤维成分，如果对复合材料进行简单处理，就会造成资源的浪费。