硅粉加入量对碳纤维增强铝碳耐火材料显微结构和强度的影响

以电熔白刚玉、石墨、硅粉和碳纤维为主要原料,通过固定刚玉细粉和硅粉总含量(29%),改变硅粉加入量(0~20%)制得了六组碳纤维增强铝碳耐火材料。采用XRD、SEM及EDS等研究了硅粉加入量对不同温度处理后材料物相组成、显微结构及强度的影响。结果表明:(1)220℃热处理后,硅粉含量低于8%时,抗折耐压强度变化不大;硅粉的含量高于8%时,抗折与耐压强度均降低。(2)1400℃热处理后,当硅粉含量从0增加到8%时,耐压强度与抗折强度均得到明显改善。而当硅粉量进一步增加时,试样出现裂纹,强度显著下降。(3)综合考虑,硅粉的最佳加入量为8%,此时经220℃、1400℃热处理后材料具有最好的抗折强度及耐压强度。

双辊铸轧工艺制备连续碳纤维增强铝基复合材料的研究

连续碳纤维增强铝基(CCF/Al)复合材料具有高比强度、低密度、良好的传热性以及低热膨胀系数等诸多优良的特性,在航空材料、汽车制造、电子设备和工业生产等领域均具有广阔的应用前景。对连续碳纤维表面涂层的制备方法进行了讨论,并总结了近年来CCF/Al复合材料的主要制备工艺、重要研究成果以及存在的问题;重点阐述了采用双辊铸轧工艺制备CCF/Al复合材料的研究结果,具体包括搭建的实验设备、改性后碳纤维的性能、所制备复合材料的组织结构及强化机理;讨论了该工艺目前存在的主要问题,并对其发展前景进行了展望。

碳纤维铝基复合材料制备及合金化研究现状

碳纤维铝基复合材料具有优异的抗拉性能、耐磨性和抗疲劳性能等特点,广泛应用于飞行器、军工用品、汽车等领域。针对目前碳纤维铝基复合材料制备成形困难和界面结合性能差等问题,本文论述了近年来国内外各种碳纤维铝基复合材料制备工艺,分析了各种制备工艺的特点,总结了基体合金化对界面反应和润湿性的影响。同时,对碳纤维铝基复合材料的未来发展进行了展望。

混料工艺对铝锆碳耐火材料生坯性能的影响

针对铝锆碳耐火材料生坯显微结构和力学性能的调控与优化,以板状刚玉、锆莫来石、锆刚玉为骨料,α-Al_(2)O_(3)微粉、鳞片石墨、添加剂为细粉,木质素磺酸盐为结合剂,机压成型制备铝锆碳耐火材料试样和基质试样。研究了细粉的混料工艺(手动混料0.5 h、未混料、球磨混料2和5 h)对基质试样和耐火材料试样体积密度、显气孔率、常温耐压强度和显微结构的影响。结果表明:细粉的混料工艺对试样显气孔率和体积密度的影响较小,但对显微结构和常温耐压强度影响显著。球磨混合使得原料分布均匀,显著减少气孔、裂纹等缺陷,并使得基质原料的粒度均匀性提高和比表面积增加,有利于木质素磺酸盐溶液结合剂的吸附和黏结,从而保证强度的明显提升。但过长的球磨时间可能会导致原料颗粒过细,团聚增多,反而降低了强度。当细粉经2 h球磨混合时,试样中基质与骨料结合较为紧密,常温耐压强度最高。

碳纤维增强铝基复合材料界面隔离层研究进展

碳纤维增强铝基复合材料是最有应用前景的新型复合材料之一。从碳纤维增强体及其特点出发,分析了碳纤维增强铝基复合材料存在的问题与挑战,提出在相界处引入陶瓷隔离层以改善润湿性并抑制脆性界面相生成的思路。列举了以化学气相沉积、直接原位反应、熔盐反应等制备碳化物陶瓷隔离层的方法。其中,熔盐反应以其稳定的化学反应、细小的晶粒尺度、可控的隔离层厚度等优势备受青睐,是改善碳纤维增强铝基复合材料界面组织与性能的有效方案。

加入碳纤维对铝碳耐火材料性能及显微结构的影响

为了提高铝碳耐火材料的性能，以电熔白刚玉（3～1、≤1mm）为骨料，电熔白刚玉（≤0．074mm）、鳞片石墨（≤0．15mm）为基质，Si粉为抗氧化剂，热固性酚醛树脂为结合剂，碳纤维为添加剂，制成铝碳耐火材料，研究了碳纤维添加量对相组成、显微结构、常温物理性能、高温抗折强度和抗氧化性能的影响。结果表明：1）经220℃处理后，碳纤维与树脂结合紧密；1100℃处理后，碳纤维与树脂之间存在一定的间隙，碳纤维表面未蚀变，但其表面有少量碳化硅晶须生成；l400℃处理后，碳纤维表面发生蚀变，形成C-Si系物质，同时其表面形成大量碳化硅晶须；2）碳纤维在不显著改变铝碳耐火材料显气孔率和体积密度的基础上，能显著提高试样经220℃和1400℃处理后的常温耐压强度和抗折强度及1400℃下的高温抗折强度；3）碳纤维的加入使铝碳耐火材料抗氧化性能下降。

碳纤维的引入方式对铝碳耐火材料显微结构和力学性能的影响

碳纤维具有优良的力学性能,作为增强相被广泛应用,但其表面缺陷较多,因此在耐火材料中易出现基质中分散不均匀及与基质相容性较差等问题。通过改变碳纤维的引入方式来解决碳纤维在基质中的分散性问题,通过采用碳纤维改性树脂和碳纤维与细粉湿混两种工艺,将碳纤维引入到铝碳耐火材料中,对比不同引入方式对铝碳耐火材料显微结构和力学性能的影响。结果表明:碳纤维改性树脂经220℃热处理后,树脂碳与碳纤维间形成紧密结构;经1 100、1 400℃热处理后碳纤维与树脂碳之间较为疏松;通过SEM结果发现,采用将碳纤维与细粉湿混的工艺将碳纤维引入到铝碳耐火材料中,碳纤维均匀分散于基质中,铝碳耐火材料力学性能最优;碳纤维复合铝碳耐火材料经220、1100℃热处理后碳纤维表面变化不大,经1400℃热处理后碳纤维表面形成晶须,可提高材料的力学性能。

纳米碳/铝复合材料强韧化研究现状及展望

以碳纳米管、石墨烯为代表的超高性能纳米碳,具有优越的力、热、电等综合性能,是复合材料的理想增强体,以纳米碳为强化相少量加入到铝中,有望开发出高强、高模、低热膨胀的复合材料,并使复合材料保持轻质、易加工等特性,在航空、航天、国防等领域具有重大的应用前景,因而以纳米碳/铝为代表的新一代铝基复合材料备受关注。然而,碳纳米管等纳米碳易团聚,与铝等大多数金属并不浸润,且容易分布在晶界上诱导显著的晶粒细化,使得复合材料的强韧性等关键性能指标提升困难,或者使强度提高的同时使塑韧性下降显著,限制了其工程应用潜力。综述近年来国内外研究者在纳米碳/铝复合材料强韧化方面的策略和方法,包括纳米碳分散、界面和构型调控等,以期推动新一代轻质高强纳米碳/铝复合材料的发展,支撑国家未来重大工程应用。

轻量刚玉骨料对钢包包底冲击区用铝镁碳耐火材料侵蚀机理的影响

钢包用耐火材料的轻量化对节能降耗和减少吨钢耐材消耗意义重大。本文研究了含轻量刚玉骨料铝镁碳耐火材料在170 t钢包包底冲击区服役的侵蚀机理,并与传统致密烧结刚玉基铝镁碳耐火材料进行了对比分析。结果表明,采用轻量刚玉骨料制备的铝镁碳耐火材料显示更优异的使用效果,侵蚀速率由原先的1.79 mm/炉降低至1.35 mm/炉,服役寿命提升近24.6%。研究表明:轻量刚玉骨料具有高的表面粗糙度和丰富的微米级气孔,不仅能强化骨料基质结合界面,还可以通过微孔吸收热应力,显著提高了铝镁碳耐火材料的抗冲刷性能和热震稳定性;同时能促进热面生成致密且较厚的六铝酸钙-尖晶石复合隔离层,阻碍了熔渣的侵蚀与渗透,并有效抑制了内部碳的氧化。另外,轻量刚玉骨料能吸附熔渣并形成核壳结构,进一步提升材料的抗侵蚀性。

循环盐雾环境中碳纤维复合材料-6082铝合金螺栓连接结构中铝合金的腐蚀行为

采用循环盐雾加速腐蚀试验,通过腐蚀速率测试、腐蚀形貌观察和电化学方法研究了碳纤维复合材料-6082铝合金螺栓连接结构中6082铝合金的腐蚀行为。结果表明:与碳纤维复合材料连接后,6082铝合金的腐蚀速率是未连接试样的13倍,铝合金与裸露的碳纤维接触处的腐蚀最严重。随着腐蚀时间的延长,铝合金的腐蚀电位逐渐下降,腐蚀电流密度增大,耐蚀性减弱,铝合金表面的腐蚀产物逐渐形成致密和疏松的双层结构。

回收型碳纤维/聚丙烯纤维毡的制备及其模压成型复合材料性能研究

以回收碳纤维(Recycle Carbon Fiber,RCF)和聚丙烯(Polypropylene,PP)纤维为原料,通过非织造工艺制备为RCF/PP纤维毡,再通过热压成型将其制备为RCF/PP复合材料,探究非织造工艺参数以及模压成型参数,并对材料性能进行了研究。结果表明:针刺工艺采用15 pin/cm2的针刺密度和10 mm的针刺深度;热黏合工艺采用130~180 N/cm2的压力和160~180℃的温度。针刺固结的复合材料在190℃、6 MPa的条件下热压成型;热黏合固结的复合材料在177~180℃、7 MPa的条件下热压成型。针刺毡CD方向的拉伸性能相较于PD方向性能提高77.8%,热黏合毡CD方向的拉伸性能相较于PD方向性能提高59.3%,RCF/PP复合材料具有一定程度的各向异性。

含缺陷管道碳纤维复合材料补强数值模拟研究

当代石油、天然气等能源的主要运输方式为管道运输,管道在长期使用时会产生各种缺陷,这些缺陷将对管道的结构和强度产生影响。目前先进的管道修复技术为复合材料补强技术,其中碳纤维复合材料是较优的选择。为了测试有/无碳纤维补强管道缺陷处的效果,开展了不同层数碳纤维复合材料的拉伸实验研究,结合ANSYS数值模拟探究了修复前后不同缺陷管道在承载时的应力、应变分布,分析了修复补强效果的影响因素。结果表明:缺陷减薄厚度对管道的应力、应变状态影响较大,碳纤维复合材料修复技术能在减小管道缺陷处应力、应变的同时优化其应力、应变分布,可以通过增加碳纤维修复层数来提升修复效果,相关研究对于管道的修复补强有一定指导意义。

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。

改进型密集阵列全聚焦成像算法的碳纤维复合材料板损伤定位研究

本文针对各向异性碳纤维复合材料板的损伤定位问题,提出改进型密集阵列全聚焦成像方法。首先,考虑碳纤维复合材料板的各向异性,通过实验分析超声导波在板中的传播特性,得到沿不同传播方向的群速度值。其次,对密集型传感器阵列的参数进行分析和优化研究,分别对不同阵列参数即阵元间距和阵元数量进行指向性函数的数值分析,优化阵列的参数,以保证阵列主瓣较窄、旁瓣较低且无栅瓣。然后,提出了一种考虑碳纤维复合材料板各向异性的改进型密集传感器阵列板结构缺陷定位算法。使用超声导波在碳纤维复合材料板中沿不同传播方向的群速度值,对全聚焦算法进行修正,并利用虚拟聚焦原理对板结构进行全聚焦成像。最后,通过布置碳纤维复合材料孔洞损伤实验,对基于密集阵列全聚焦成像方法的定位精度进行分析。实验结果表明,改进型密集阵列全聚焦成像算法的定位精度为1.00 mm,相较于使用单一群速度值,该方法在定位孔洞损伤缺陷时具有更高的精度。

阵列式碳纤维复合材料的制备与微波吸收机理研究

以碳纤维为代表的碳材料具有质轻、导电性好、化学稳定性强等突出的物理化学性质,将其作为吸波剂使用可以提升材料的吸波性能、使用寿命并有效降低重量。通过“电场取向优化+基体灌封固化”的工艺完成了不同组分阵列式碳纤维复合材料的制备,采用SEM、FT-IR等手段对材料的形貌和化学成分进行表征,利用矢量网络分析仪对材料在2~18 GHz频段内的复介电常数和复磁导率进行表征,分析了微观结构对材料电磁参数、界面阻抗匹配及电磁波吸收性能的影响规律,最后研究碳纤维空间排布形式、复配粉体成分对其吸波性能的影响机制。结果表明,材料的电磁损耗机制由电介质损耗、干涉相消、界面极化弛豫、磁损耗共同构成;当复合材料厚度为2.0 mm时,反射率<-10 dB(6.1~7.6 GHz),在6.5 GHz处最大衰减值为-15.2 dB,热导率达到3.2 W/(m·K);验证所制备的材料在满足电磁波吸收功能的同时还具有一定的导热性。

高低温对碳纤维/环氧树脂复合材料高压气瓶的性能影响

为了获得T1000碳纤维/环氧树脂复合材料高压气瓶环境适应能力,有效地掌握气瓶高低温适应性固有规律,以容积50 L、工作压力30 MPa的复合材料气瓶(钛为内衬、碳纤维/环氧树脂为复合层)为研究对象,首先介绍了高低温循环下带压气瓶(在-40~80℃范围内成功通过热真空、热循环验证,具备高压承载能力)的热真空、热循环试验数据,然后采用与气瓶相同复合材料的拉伸试样(缠绕角分别为0°和90°),通过高低温极限摸底试验获得了复合材料经历不同梯度高低温后的拉伸性能数据,通过数据比对分析获得了高低温影响拉伸强度衰减的规律。同时,提出了一种高低温极限摸底试验的可靠性评估方法。结果表明,在-50~100℃范围内,试样拉伸强度及断裂伸长率变化较小;当温度高于100℃时,纤维和树脂的性能发生衰减,导致拉伸强度明显降低;当温度低于-50℃时,树脂的性能发生衰减,纤维受到的影响较小。试样高低温极限摸底试验的可靠度大于0.999,表明采用拉伸试样高低温拉伸强度数据的替代方式具有较高的等效性。

一种窑洞建筑碳纤维复合材料的特性测试及应用分析

基于窑洞建筑与村落设施对建筑复材低密度、高断裂韧性的需求,对比分析了烧结SiC、碳纤维增强复合材料以及Y-Z_(r)O_(2)涂层改性碳纤维增强复合材料的密度、表面形貌、弯曲强度和断裂韧性。结果表明,SiC及其碳纤维增强SiC复合材料的密度和弯曲强度从大至小的顺序依次为SiC、Cf/SiC复合材料、Cf(Y-Z_(r)O_(2))/SiC复合材料。SiC、碳纤维增强SiC复合材料中的残留Si含量和断裂韧性从小至大的顺序依次为SiC、Cf/SiC复合材料、Cf(Y-Z_(r)O_(2))/SiC复合材料。碳纤维增强复合材料、Y-Z_(r)O_(2)涂层改性碳纤维增强复合材料较烧结SiC具有更低的密度和更高的断裂韧性。从窑洞建筑与村落设施角度考虑,选择成本更低而性价比更高的Cf/SiC复合材料为宜。

“无机粒子-无纺布”协同改性碳纤维复合材料及其增韧机理

针对碳纤维复合材料层间性能较差、易发生分层损伤的问题,提出一种采用SiC粒子和热塑性共聚酰胺(PA)无纺布对碳纤维/环氧树脂基复合材料(CFRP)进行增韧改性的技术,在层间构筑一种“无机颗粒/热塑性纤维/树脂基体”多组分多尺度增韧相体系,对比分析改性前后复合材料的Ⅰ型、Ⅱ型层间断裂韧性和耐热性,借助扫描电子显微镜(SEM)和动态热机械分析仪揭示其增韧和耐热性机制。结果表明,与未改性的CFRP材料相比,当SiC填充量(质量分数)为1%、PA无纺布面密度为25 g/m2时,改性CFRP材料Ⅰ型层间断裂韧性(GⅠC)和Ⅱ型层间断裂韧性(GⅡC)分别提高了52.7%和222.6%。无机粒子的阻滞效应、纤维的桥连效应和基体树脂的塑性变形是其主要增韧机制。

轻木夹芯/碳纤维复合材料结构后推构型无人机机身设计与分析

设计了一款后推构型轻木夹芯/碳纤维复合材料结构无人机机身,完成了机身气动外形设计、流场分析和内部结构设计。建立了机身结构有限元模型,完成了结构刚度校核。编写子程序,将3D Hashin失效准则嵌入计算模型,基于三类失效模式构建极限状态函数g(x),对机身结构进行了强度及稳定性校核。采用等步长施加超设计载荷,预测了结构的初始损伤位置及模式。对机身蒙皮铺层方案进行了优化设计,采用g(x)函数对更改铺层方案后的结构性能进行了评估。研究结果表明:着陆工况和最大飞行速度工况的机身蒙皮表面压强最大值均在机头整流罩区域。两种工况的极限状态函数g(x)均大于0,最大位移分别为3.076 mm和2.92 mm,机身结构满足刚度、强度和稳定性要求。对着陆工况施加1.17倍设计载荷时,油料舱下壁板轻木芯材发生压缩分层初始损伤。机身结构失稳发生于侧面蒙皮,提高45°铺层占比可提高蒙皮的稳定性。玻纤蒙皮铺层优化后,在质量不变的条件下,结构稳定性裕度提高了7.2%。

碳纤维复合材料层合板钻削后拉伸剩余强度研究

拉伸剩余强度是复合材料层合板的一个重要力学性能,对产品的使用寿命起着关键作用。为了研究钻削工艺参数对碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)层合板钻削后拉伸剩余强度的影响,将所选用的失效准则和刚度退化模式编写Vumat子程序,在Abaqus软件中建立了CFRP层合板钻削后拉伸有限元模型。通过正交试验探究主轴转速、进给量和钻头顶角对CFRP层合板钻削后拉伸剩余强度的影响。研究结果表明,主轴转速、进给量和钻头顶角都对层合板拉伸剩余强度有显著影响,提高主轴转速,减小进给量和钻头顶角都可以有效地提高层合板钻削后拉伸剩余强度,为实际加工提供参考。