关于高强中模碳纤维模量测试的研究

针对国内碳纤维拉伸模量的测试现状和国内外测试标准的区别,以国产QZ5526-12K聚丙烯腈(PAN)基碳纤维为研究对象,采用万能材料试验机比较了最大预载、应变范围、加载速度、引伸计标距和加强片等对模量测试的影响。结果表明,最大预载、应变范围和加强片等因素对拉伸模量的测试影响显著,而加载速度和引伸计标距等对拉伸模量的测试基本无影响。通过使用牛皮纸对固化后的纤维样条进行加强,当设置最大预载约为断裂载荷的10%、应变范围为0.1%~0.6%时,可以更加合理地表征高强中模碳纤维的模量。

电泳沉积改性对高模量碳纤维在水中分散性的影响

高模量碳纤维(HMCF)因经过高温石墨化,表面惰性高,表现出很强的疏水性,不易在水中分散,成为湿法制备碳纤维纸需要克服的瓶颈。为改善HMCF在水中的分散性,采用电泳沉积二维过渡金属碳化物MXene的方法对其进行表面改性,研究了电泳沉积参数、纤维特性对HMCF表面改性效果及其在水中分散性的影响。结果表明,经过MXene表面改性后,HMCF表面的极性官能团数量增加,在水中的分散性得到了一定的改善。MXene沉积4min时BHM3碳纤维在水中的分散情况改善最为显著,对水的接触角从100.7°降至36.2°,达到一级分散水平,沉降时间增加到42min。相同条件下,MXene在HMCF表面的均匀分布能提升纤维在水中的分散性。

高模量碳纤维复合材料管件高低温交变环境结构稳定性研究

针对高模量碳纤维复合材料管件高低温交变环境下截面变形、分层问题,基于纤维混杂思路,在其大角度差铺层之间增设单层超薄(0.02 mm)无碱玻璃纤维平纹布,仿真分析表明,该玻璃纤维平纹布的加入,有效缓解了碳纤维大角度铺层之间的热膨胀失配,降低了层间应力。高低温交变试验结果印证了仿真分析的正确性,经过液氮温度(-196℃)至+150℃共六个高低温交变循环后,层间设置玻璃纤维平纹布的管件试件截面结构保持完整,几何尺寸未发生变化。单向板弯曲对比试验表明,超薄玻璃纤维平纹布的加入不仅起到了层间增韧效果,且对结构的弯曲性能无明显影响,这得益于超薄玻璃纤维平纹布的低模量与极小的厚度占比(1.6%)。

硫酸体系下高模碳纤维在不同电场环境中的阳极氧化行为

高模量碳纤维的惰性表面导致其与树脂基体之间薄弱的界面结合,限制高模量碳纤维复合材料在众多应用场景中性能的发挥。阳极氧化作为目前唯一可与碳纤维生产线并线运行的表面处理技术,常用的以碳酸氢铵为代表的碱性电解质在氧化高模碳纤维时效果有限,氧化性更强的酸性电解质体系下的阳极氧化机制缺乏系统研究。采用稀硫酸对模量为371 GPa的碳纤维进行电化学阳极氧化处理,系统研究电流密度、电解质浓度等关键要素对高模量碳纤维表面极性结构的影响规律,继而研究表面处理效果对碳纤维/环氧树脂复合材料界面剪切强度的影响规律,建立表面处理要素与复合材料界面性能的关联性。结果表明:处理后的碳纤维在保持原有表面形貌和石墨化结构的基础上,在碳纤维的无定型碳和芳香环状结构区域发生氧化反应,反应后纤维表观石墨化程度降低,表面能增大,表面含氧官能团含量增加。在当硫酸浓度为1.0%(质量分数)、电流密度为0.26 mA/cm^(2)时,此时碳纤维的表面能最高,为57.7 mN/m,相比于未处理的碳纤维提高了62.08%,与环氧树脂的界面剪切强度达到80.9 MPa,相对于未处理对应的21.8 MPa提高了2.7倍,处理后碳纤维的单丝拉伸强度不受损。

无坐力炮高模量碳纤维缠绕身管损伤行为研究

无坐力炮的轻量化设计是当前的一个重要趋势。高模量碳纤维复合材料因弹性模量高、热膨胀系数小、尺寸稳定等优异性能,广泛应用在无坐力炮复合材料身管。基于NOL环碳纤维缠绕件的宏观力学测试通常用于反映碳纤维缠绕复合材料的性能。本文以M46高模量缠绕制备的NOL环纤维试件为研究对象,通过准静态拉伸和疲劳试验,研究材料的应变响应和拉-拉疲劳行为。结合无坐力炮身管失效准则,将动态应变准则作为高模量碳纤维缠绕复合材料身管性能和使用寿命的标准。结果表明:高模量碳纤维无明显地疲劳累积损伤,抗疲劳特性良好。疲劳过程中应变响应较低,经1000次疲劳载荷循环,相同位置的最大应变变化幅度约为0.2%,无坐力武器身管能保持预定弹道和结构性能良好,满足轻量化和使用寿命设计要求。

混合锆类粉体对高模量碳纤维表面改性的研究

混合锆类粉体是含有锆元素的无机陶瓷材料。采用溶胶-凝胶法与碳热还原法制备得到了ZrO_(2)、ZrB_(2)、ZrC、ZrN混合锆类陶瓷粉体,并利用连续上浆工艺将其涂覆到碳纤维表面。采用X射线衍射仪对锆类粉体进行了结构与组分的分析。通过扫描电子显微镜、热重测试研究了混合锆类粉体的加入对碳纤维表面形貌、耐热性能的影响。结果表明,实验条件下制备混合锆类粉体的最佳原料配比是n(Zr)∶n(B)∶n(C)=1∶2.5∶12,粉体的最佳烧结温度为1600℃,此时粉体中ZrB_(2)含量相对最多;高模碳纤维经过10%粉体上浆改性后,碳纤维的起始氧化温度从675.1℃升高到了717.9℃,氧化反应的表观活化能从76.41kJ/mol升高到115.43kJ/mol。

碳纤维复合材料在卫星结构中的性能与优势分析

随着航天技术的不断发展,对卫星结构材料的要求日益严格。碳纤维复合材料以其轻质、高强、高模、耐疲劳等优异性能,成为卫星结构设计的首选材料。为此,本文梳理了目前碳纤维复合材料在低轨卫星及卫星天线上的应用情况,综合分析了碳纤维复合材料在卫星结构中的优势,结合未来我国卫星结构对碳纤维复合材料的发展需求,总结展望了我国未来碳纤维复合材料在卫星结构中的发展趋势。

国产高模量碳纤维复合材料耐冷热冲击性能研究

低轨道航天器由于反复进出地球阴影区,会受到频繁的冷热冲击,因此研究冷热冲击对低轨航天器用高模量碳纤维CCM40J/氰酸酯复合材料力学性能与质量损失率的影响十分重要。对CCM40J/氰酸酯复合材料进行了冷热冲击试验,对不同冷热冲击次数后的CCM40J/氰酸酯复合材料进行了力学性能测试和质量损失测试,并采用SEM、FTIR、XPS等分析比较了冷热冲击前后复合材料样品的表面形貌、微观结构和化学组成等。结果表明,经过500次冷热冲击后,CCM40J/氰酸酯复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量和层间剪切强度分别降低0.90%、2.13%、3.72%、2.70%和6.49%,质量损失率远低于1%,且没有发生新的化学反应,满足航天器的应用需求。

加捻对高模量碳纤维浸胶复丝拉伸性能的影响

为提高国产高模量碳纤维的拉伸性能,研究国产CCM40J,CCM55J碳纤维在浸胶前后加捻两种方式下的拉伸强度与断裂伸长率。结果显示:加捻可以有效改善CCM40J与CCM55J碳纤维的拉伸性能;与CCM55J碳纤维相比,当捻度为10 n/m时,浸胶后加捻的CCM40J碳纤维拉伸强度与断裂伸长率均提高17%;为改善两种高模量碳纤维的拉伸性能,确定了最佳捻度与浸胶方式。

石墨化温度对PAN基高模量碳纤维微观结构的影响

以日本东丽公司T800碳纤维为原料,经不同温度的连续石墨化处理得到性能不同的高模量碳纤维。利用X射线衍射(XRD)和激光拉曼光谱(Raman光谱)研究了5种自制PAN基高模量碳纤维(1#,2#,3#,4#,5#)的微观结构。结果表明:随着石墨化温度的升高,石墨微晶尺寸Lc、La10、La110及取向度均逐渐增大,而d002和取向角则逐渐减小。石墨化温度越高,碳纤维的石墨化程度越高,结晶度越大。

高模量碳纤维的现状及发展(1)

主要介绍了国内外聚丙烯腈基和沥青基高模量碳纤维的研究现状及发展趋势。⑴高模量碳纤维的发展方向:1980年代,两大高模量碳纤维都朝着高强高模方向发展,以满足飞机主承力结构件高强高模并重的需要,因而促使高模量碳纤维的性能从单一高模化向高强高模化方向迈进,如东丽公司的M50J和M60J的抗拉伸强度(σ)分别为4.12 GPa和3.92 GPa,抗拉伸模量(E)分别为475 GPa和588 GPa,与M50(σ:2.45 GPa,E:490 GPa)相比均大幅度提高;1990年代率先研制出XN-70(σ:3.3 GPa,E:690 GPa)和FT-700(σ:3.3 GPa,E:700 GPa)沥青基高强高模碳纤维产品不久,美国AMOCO公司也生产出Thorne K-1000(σ:3.1 GPa,E:956 GPa)商品,满足了工业界的需求。⑵原丝的品质是提升高强高模碳纤维性能的关键:人们特别关注聚合物单体、溶剂、环境等的净化,以及聚合纺丝工艺参数的选择和调整,目的是如何能生产出低灰份杂质,细直径,高碳收率,高取向度和结晶度,毛丝少,柔韧性好,均匀稳定的优质原纤维。优质原纤维是制备高强高模的物质基础。⑶热处理制备工序、设备选型及工艺参数的调控也是提高高强高模碳纤维性能不可或缺的条件:人们在热处理过程用DSC-TG(热分析仪)、EA(元素分析仪)、FE-SEM(场发射扫描电镜)、HRTEM(高分辨透射电镜)、XES(X-射线能谱仪)、XRD(X-射线衍射仪)、Raman(拉曼光谱)、NMR(核磁共振仪)、STM(原子力显微镜)和AAS(原子吸收光谱)等先进的测试分析方法以及万能材料试验机等,研究各工序的工艺参数对产品性能和结构的影响,并详细的用图表阐述之。前人研究的成果加速了世界高强高模碳纤维性能的提升。进而提出了提高我国高强高模碳纤维的关键技术(例如研制非硅系新油剂,加强各工序的净化度和设备加工精度,强化工艺参数调控精度和加强灵活可变性,分析测试的准确度和测试方法的统一性等)。同时简介了高模量碳纤维的应用领域和前景。

PAN基高模量碳纤维微观结构研究

采用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和拉曼光谱(Raman光谱)研究了3种自制PAN基高模量碳纤维(1#,2#,3#)的微观结构,并与M40J,M46J,M55J碳纤维进行了对比。结果表明:3种自制PAN基高模量碳纤维微晶尺寸的大小顺序为3#>2#>1#;1#到3#碳纤维表面和截面Raman光谱所获得的R值(D峰和G峰的积分强度比)均减小,石墨化程度升高,结晶性变好;1#碳纤维的结晶性介于M40J碳纤维和M46J碳纤维之间,2#和3#介于M46J碳纤维和M55J碳纤维之间;三者的石墨化程度略高于M46J碳纤维。

国产高模碳纤维/环氧复合材料在太阳翼基板上的应用研究

基板是空间太阳电池阵电池电路的安装基础,“上下碳纤维复合材料网格面板+铝蜂窝芯+聚酰亚胺膜”是基板的典型结构。高模量碳纤维作为太阳翼核心关键原材料,必须实现自主可控,避免受制于人。为此,开展了国产高模碳纤维CCM40J-6K/环氧复合材料在太阳翼基板上的应用试验研究,提出了CCM40J-6K/环氧复合材料在产品应用上的宏观力学、微观网格抗拉脱、聚酰亚胺膜粘贴等三个关键环节,针对性地设计并实施了常温和高低温交变力学性能、网格面板节点结合力、聚酰亚胺膜粘贴性能以及基板结构热循环性能等5个方面的测试验证。验证结果表明:CCM40J-6K太阳翼基板各项力学性能与进口M40JB-6K相当,可以沿用原M40JB-6K相关基板成型工艺,单层及多层铺层基板试验件能够经受高低温交变及热循环恶劣环境,试验件试验前后力学性能无明显变化,且聚酰亚胺膜无脱粘现象,网格节点拉伸强度国产碳纤维网格面板相比进口碳纤维网格面板高18.9%。说明国产碳纤维CCM40J-6K能够应用于太阳翼基板结构研制。

高模量碳纤维的现状及发展(2)

主要介绍了国内外聚丙烯腈基和沥青基高模量碳纤维的研究现状及发展趋势。⑴高模量碳纤维的发展方向:1980年代,两大高模量碳纤维都朝着高强高模方向发展,以满足飞机主承力结构件高强高模并重的需要,因而促使高模量碳纤维的性能从单一高模化向高强高模化方向迈进,如东丽公司的M50J和M60J的抗拉伸强度(σ)分别为4.12 GPa和3.92 GPa,抗拉伸模量(E)分别为475 GPa和588 GPa,与M50(σ:2.45 GPa,E:490 GPa)相比均大幅度提高;1990年代率先研制出XN-70(σ:3.3 GPa,E:690 GPa)和FT-700(σ:3.3 GPa,E:700 GPa)沥青基高强高模碳纤维产品不久,美国AMOCO公司也生产出Thorne K-1000(σ:3.1 GPa,E:956 GPa)商品,满足了工业界的需求。⑵原丝的品质是提升高强高模碳纤维性能的关键:人们特别关注聚合物单体、溶剂、环境等的净化,以及聚合纺丝工艺参数的选择和调整,目的是如何能生产出低灰份杂质,细直径,高碳收率,高取向度和结晶度,毛丝少,柔韧性好,均匀稳定的优质原纤维。优质原纤维是制备高强高模的物质基础。⑶热处理制备工序、设备选型及工艺参数的调控也是提高高强高模碳纤维性能不可或缺的条件:人们在热处理过程用DSC-TG(热分析仪)、EA(元素分析仪)、FE-SEM(场发射扫描电镜)、HRTEM(高分辨透射电镜)、XES(X-射线能谱仪)、XRD(X-射线衍射仪)、Raman(拉曼光谱)、NMR(核磁共振仪)、STM(原子力显微镜)和AAS(原子吸收光谱)等先进的测试分析方法以及万能材料试验机等,研究各工序的工艺参数对产品性能和结构的影响,并详细的用图表阐述之。前人研究的成果加速了世界高强高模碳纤维性能的提升。进而提出了提高我国高强高模碳纤维的关键技术(例如研制非硅系新油剂,加强各工序的净化度和设备加工精度,强化工艺参数调控精度和加强灵活可变性,分析测试的准确度和测试方法的统一性等)。同时简介了高模量碳纤维的应用领域和前景。

高模量碳纤维复合材料的电磁铆接工艺研究

研究了高模量碳纤维复合材料结构的电磁铆接工艺。通过实验确定了铆钉外伸量、钉孔间隙等工艺参数,给出了复合材料结构铆接用垫圈的几何尺寸,提出了合理的镦头尺寸。强度实验和损伤检测表明电磁铆接可以代替螺栓连接,成功地铆接高模量碳纤维复合材料。

高模量碳纤维增强改性氰酸酯树脂基复合材料研究

采用折光指数控制法研究了改性氰酸酯树脂体系的预聚效果。结果表明:当折光指数在1.574 5~1.578 5时,改性氰酸酯树脂的软化点可控制在25~30℃,室温铺覆性能良好。力学性能及耐环境性研究表明M40/BADCy复合材料的层间剪切强度可达到67.8 MPa。高低温交替变化及紫外线老化对M40/BADCy复合材料的力学性影响很小。M40/BADCy复合材料水煮100 h后的吸水率小于0.94%,其层间剪切强度仅下降18%。

高模量碳纤维的现状及发展(3)

主要介绍了国内外聚丙烯腈基和沥青基高模量碳纤维的研究现状及发展趋势。⑴高模量碳纤维的发展方向:1980年代,两大高模量碳纤维都朝着高强高模方向发展,以满足飞机主承力结构件高强高模并重的需要,因而促使高模量碳纤维的性能从单一高模化向高强高模化方向迈进,如东丽公司的M50J和M60J的抗拉伸强度(σ)分别为4.12 GPa和3.92 GPa,抗拉伸模量(E)分别为475 GPa和588 GPa,与M50(σ:2.45 GPa,E:490 GPa)相比均大幅度提高;1990年代率先研制出XN-70(σ:3.3 GPa,E:690 GPa)和FT-700(σ:3.3 GPa,E:700 GPa)沥青基高强高模碳纤维产品不久,美国AMOCO公司也生产出Thorne K-1000(σ:3.1 GPa,E:956 GPa)商品,满足了工业界的需求。⑵原丝的品质是提升高强高模碳纤维性能的关键:人们特别关注聚合物单体、溶剂、环境等的净化,以及聚合纺丝工艺参数的选择和调整,目的是如何能生产出低灰份杂质,细直径,高碳收率,高取向度和结晶度,毛丝少,柔韧性好,均匀稳定的优质原纤维。优质原纤维是制备高强高模的物质基础。⑶热处理制备工序、设备选型及工艺参数的调控也是提高高强高模碳纤维性能不可或缺的条件:人们在热处理过程用DSC-TG(热分析仪)、EA(元素分析仪)、FE-SEM(场发射扫描电镜)、HRTEM(高分辨透射电镜)、XES(X-射线能谱仪)、XRD(X-射线衍射仪)、Raman(拉曼光谱)、NMR(核磁共振仪)、STM(原子力显微镜)和AAS(原子吸收光谱)等先进的测试分析方法以及万能材料试验机等,研究各工序的工艺参数对产品性能和结构的影响,并详细的用图表阐述之。前人研究的成果加速了世界高强高模碳纤维性能的提升。进而提出了提高我国高强高模碳纤维的关键技术(例如研制非硅系新油剂,加强各工序的净化度和设备加工精度,强化工艺参数调控精度和加强灵活可变性,分析测试的准确度和测试方法的统一性等)。同时简介了高模量碳纤维的应用领域和前景。

对中国高模量碳纤维应用中工艺性能问题的分析

文章简述了航天器结构对高模量碳纤维需求,对中国高模量碳纤维品质稳定性、工艺稳定性等内容进行了简要评述,着重对中国高模量碳纤维工艺性能做了分析,并对加强中国高模量碳纤维批生产提出了建议。

制备聚丙烯腈基高模量碳纤维的高温热处理技术

指出高温热处理是制备高模量碳纤维的关键技术；介绍了制备 PAN 基高模量碳纤维的 3 种高温热处理技术。

固化工艺对高模量碳纤维/环氧648复合材料性能影响的分析

高模量碳纤维 /环氧 6 48复合材料是目前应用于卫星结构的主要材料之一。文章对高模量碳纤维 /环氧 6 48复合材料的固化工艺进行了分析 。