玻璃纤维/环氧树脂复合材料燃烧特性研究

采用锥形量热仪、垂直水平燃烧试验仪、极限氧指数测试仪等手段研究玻璃纤维/环氧树脂复合材料在不同火灾环境下的燃烧特性。结果表明:随热辐射强度的增加,实验样品的平均点燃时间逐渐缩短,热释放速率和热释放速率峰值均增大,峰值出现时间提前,燃烧后残余率降低。由于玻璃纤维的抑制作用,复合材料总体质量损失幅度较小。实验样品在水平燃烧试验中未能点燃,在垂直燃烧试验中,平均烧焦长度48.3mm,移去火源后的平均焰燃时间为11.8s。氧指数试验显示,温度升高200℃后,其值降为室温氧指数的74.9%,表明在高温环境下复合材料更易被点燃。玻璃纤维的存在能够抑制环氧树脂的热解和燃烧。

玻璃纤维/环氧树脂复合材料热解特性研究

采用热重-差热分析仪研究玻璃纤维/环氧树脂复合材料在空气及氮气氛围下不同升温速率的热解特性规律。结果表明,在空气气氛下,热解分为两个阶段;氮气气氛下,热解只存在一个热分解阶段,与空气气氛相比热解初始分解温度较高,热解温度范围变窄,失重速率明显变大。在两种气氛下,玻璃纤维均不参与热解。随着升温速率的增加,热解反应各阶段的起始温度、终止温度、最大失重速率温度均向高温方向移动,热解温度范围大小都基本保持不变。氮气气氛下使用Kissinger法、FWO法和Starink法计算出玻璃纤维环氧树脂的平均表观活化能分别为106.42、123.09和119.48kJ/mol。复合材料活化能随转化率的增加而升高,表观活化能保持在一定数值范围内且数值相近,热解反应比较稳定,具有较低A值,表明其具有较强的热稳定性。

碳纳米管/共聚酰亚胺复合膜增强炭纤维/环氧树脂复合材料的层间断裂韧性和导热性

炭纤维/环氧树脂复合材料已被广泛用作航空航天领域的结构材料,但由于其沿厚度方向缺乏炭纤维增强材料,层间力学性能和面外导热性较差。本文制备了碳纳米管/共聚酰亚胺(CNT/BOH)复合膜作为增韧层,以提高炭纤维/环氧树脂层压板的层间断裂韧性和厚度方向导热性。由于BOH膜的塑性变形和CNTs的增强效应,CNT/BOH膜的引入使炭纤维/环氧树脂层压板的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性分别提高260%和220%,此外,由于CNTs高的本征导热性和交联网络的形成,有效改善了层压板的厚度方向导热性。这种增韧方法为同时提高炭纤维/环氧复合材料的力学性能和导热性提供了一种有效的策略。

VARI工艺制备碳纤维/环氧树脂复合材料的耐腐蚀性能及断口形貌分析

研究了用真空辅助树脂灌注(VARI)成型工艺制备碳纤维复合材料的耐腐蚀性能,并对采用VARI工艺制备的碳纤维复合材料制件进行了断口形貌分析。结果表明:碳纤维树脂基复合材料的拉伸强度是395.93 MPa,弯曲强度是568.44 MPa,模拟海水中浸泡70天后拉伸性能和弯曲性能的保持率仍能保持在80%以上;腐蚀前环氧树脂与碳纤维编织布总体浸润充分,拉拔孔洞少,腐蚀后树脂对纤维包裹性变差,孔洞变多,但仍保持材料的大部分优良性能。

T700碳纤维/环氧树脂复合材料热解特性研究

采用热重-差热分析仪研究了T700碳纤维/环氧树脂复合材料在氮气氛围、升温速率不同条件下的热解特性规律。结果表明:T700碳纤维/环氧树脂复合材料的热解反应只有一个阶段,且不同升温速率条件下复合材料热解的初始温度比较接近,终止温度随着升温速率的增加向高温方向移动;热解速率、质量变化速率随着升温速率的提高而增大。热解动力学分析表明,热解反应开始阶段复合材料的活化能相对较小,热解速度相对较快;随着转化率升高,表观活化能变大,材料热解速度降低。转化率为20%~60%时,表观活化能增值相差不大,材料的稳定性变化不大,随后复合材料表观活化能大幅增加,材料中的环氧树脂热解即将完成。采用Kissinger法、Flynn-Wall-Ozawa法计算T700碳纤维/环氧树脂复合材料的表观活化能,表观活化能平均值分别为134.64kJ/mol, 150.47kJ/mol。

重频激光作用下碳纤维/环氧树脂复合材料热损伤规律

运用热化学分析、扫描电子显微技术等手段,分析了碳纤维增强环氧树脂基复合材料在ms量级重频激光辐照下的损伤形式,研究了峰值功率密度、辐照时间、重复频率和脉冲宽度等对复合材料烧蚀规律的影响。研究结果表明:在激光辐照过程中,复合材料树脂基体在300℃开始裂解;由于裂解气体的保护作用,碳纤维不发生氧化,而是在汽化点(3 300℃)汽化烧蚀;复合材料热烧蚀率随峰值功率密度和重复频率提高而增大,随辐照时间增加而减小,最终均趋于定值;增加脉冲宽度可以提高辐照区峰值温度,降低碳纤维损伤的功率密度阈值。

炭纤维/环氧树脂复合材料层板连续激光烧蚀数值计算

应用工程软件ANSYS的参数化设计语言(APDL)编制程序,建立了复合材料瞬态温度场和烧蚀的物理数学模型,利用"杀死"单元的方法实现动边界退移的烧蚀与热传导耦合计算,从而完成了对烧蚀尺寸变化的定量描述;采用AN-SYS中处理相变的方法,通过定义材料随温度变化的焓来考虑潜热。考虑了纤维的烧蚀、树脂分解以及辐射和对流热损失,对炭纤维/环氧叠层复合材料在不同辐射时间下激光烧蚀的温度场和烧蚀率进行数值计算,并分析了烧蚀特性和烧蚀机理,计算结果与实验结果吻合较好,可为复合材料热载荷下的失效分析和抗激光加固技术设计提供理论基础。

碳纤维/环氧树脂复合材料连续抽油杆的研制

介绍了碳纤维/环氧树脂连续抽油杆的生产方法。以碳纤维和玻璃纤维带为增强材料,以E-51、METHPA和DMP-30组成的树脂体系为基体树脂,以HBT-8为内脱模剂,采用拉挤成型工艺,研制了碳纤维/环氧树脂复合材料连续抽油杆。研究表明,纤维排布、原料配比、固化温度和牵引速度是生产工艺的关键控制因素。下井实验表明,与常规钢制抽油杆相比,碳纤维/环氧树脂连续抽油杆可节电1/3以上,产油量为前者的1.3倍以上,经济效益显著,且耐磨、耐腐蚀性好,使用寿命长,运输、安装方便。

含碳纳米管上浆剂的制备及对碳纤维/环氧树脂复合材料界面的影响

首先采用"Friedel-Crafts"酰化反应制备羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs)并将其与环氧树脂、丙酮混合制成含MWCNTs的上浆剂,然后用该上浆剂浸渍碳纤维制备碳纳米管/碳纤维多尺度增强纤维。采用扫描电镜研究了上浆处理对碳纤维表面形貌的影响,采用短臂梁剪切测试方法研究了含碳纳米管的上浆剂对碳纤维/环氧树脂复合材料层间剪切强度(ILSS)的影响。结果表明,碳纳米管在上浆剂中的分散状态直接影响纤维表面碳纳米管分布的均匀性;与未浸渍的碳纤维相比,含碳纳米管上浆剂浸渍后的碳纤维/环氧树脂复合材料的ILSS提高了34.33%。通过上浆剂红外光谱表征、纤维束表面浸润性测试及ILSS试样端口形貌的观察,分析了层间增韧机理。研究表明,碳纤维束表面浸润性的提高以及碳纤维/环氧树脂界面处化学键合作用增强,是ILSS提高的主要原因。

碳纤维/环氧树脂复合材料湿热老化后的力学性能

将碳纤维/环氧树脂复合材料在温度为71℃、相对湿度为85%的环境下吸湿至平衡后研究了它的吸湿行为,然后分别在室温和71,93,116,132℃下进行了弯曲性能、纵横剪切性能、动态力学性能试验,研究了该复合材料湿热老化后的力学性能。结果表明:碳纤维/环氧树脂复合材料的吸湿率较低,其饱和吸湿率仅为0.91%左右;湿热老化后,复合材料的弯曲强度保持率在50%以上,弯曲模量保持率在80%以上,纵横剪切强度保持率在55%以上,其玻璃化转变温度为195℃,极限耐热温度可达到132℃;该碳纤维/环氧树脂复合材料具有良好的耐湿热老化能力。

激光-载荷联合作用下碳纤维/环氧树脂板的断裂阈值研究

介绍了激光－载荷联合作用下碳纤维／环氧树脂编织复合材料单边缺口板断裂的实验和理论研究。实验测量了断裂阈值曲线，并结合显微观察确定了三种断裂模式：热应力、热减薄和热击穿模式。获得了热应力模式断裂的理论判据，与实验结果基本吻合。该判据建立了断裂临界条件下热－力和几何参数与材料性能参数之间的关系。

芳纶纤维/环氧树脂复合材料损伤与断裂过程的声发射特性

研究了芳纶/环氧复合材料在承受拉伸载荷时的损伤与断裂行为。发现不同损伤类型表现出不同的声发射特性,从声发射信号的某几种关联图中可以较好地判断损伤发生的类型,并可根据某些声发射特征参量值对临界承载值进行合理的确定。

单向碳纤维/环氧树脂复合材料疲劳裂纹扩展的研究

为了模拟单向碳纤维/环氧树脂复合材料在拉-拉疲劳实际工作条件下疲劳裂纹扩展的情况,利用单向碳纤维增强环氧树脂复合材料制成的紧凑拉伸试样(CTS),在应力强度因子比R为0.5的条件下,就加载频率、应力强度因子幅△k对Ⅰ型裂纹的扩展速度及裂纹扩展机理的影响作了较系统的研究,为材料的安全可靠使用条件及作用周期提供参考依据。

重频激光-载荷联合作用下碳纤维/环氧树脂复合材料失效规律

主要研究了激光-载荷联合作用下,不同加载条件与不同辐照条件对碳纤维/环氧树脂复合材料失效规律的影响,实验结果表明,恒定激光辐照条件下施加拉伸载荷,复合材料失效速率随施加载荷的增大而显著提高;与激光辐照后常温测试力学性能相比,热力耦合作用下复合材料力学性能损失率增大;辐照激光平均功率密度与激光辐照下复合材料损伤形式是热力耦合作用下试样失效速率和失效模式的主要影响因素。

高速冲击过程中碳纤维/环氧树脂复合材料筒体强度分析

利用复合材料层合板理论对碳纤维/环氧树脂复合材料筒体在高速冲击过程中的受力状况进行了简要分析,并结合高速冲击试验结果,对碳纤维/环氧树脂复合材料筒体的破坏形式进行了简析。

玻璃纤维/环氧树脂基夹芯材料侧压性能数值模拟

为分析材料在侧压载荷下的失效机制及破坏模式,采用有限元软件ANSYS,建立了材料的细观结构模型,并进行侧压性能的数值模拟,探讨了材料在3 mm侧压位移载荷作用下复合材料、纤维和树脂基体的应力、应变分布情况。结果表明:玻璃纤维/环氧树脂基夹芯材料在侧压载荷作用下,从宏观角度分析发现,上下面板应力最大,最易发生压缩破坏;芯材应力最小,最不易被破坏;2排芯材间的面板最易发生失稳破坏,这是导致材料失效的最主要原因。从微观角度分析发现,纤维起主要承载作用,树脂起次要作用,当侧压位移载荷达到3 mm时,材料的破坏模式主要为树脂破裂、纤维与树脂严重脱黏等。

纳米增强竹浆纤维/环氧树脂复合材料的热解动力学

采用纳米碳酸钙(CaCO_3)浸渍改性工艺对竹浆纤维(BPF)进行改性,并采用真空辅助树脂浸注(VARI)技术制备纳米浸渍改性竹浆纤维(IMBPF)/环氧树脂复合材料.利用热失重分析(TGA)方法研究了原材料和复合材料在氮气气氛下的热降解行为,采用Flynn-Wall-Ozawa(FWO)和Vyazovkin and Weight(VW)方法量化了复合材料的表观活化能.结果表明:IMBPF/环氧树脂复合材料出现300~400,400~450,600~700℃3个失重区,分别对应BPF、环氧树脂和纳米CaCO_3的热降解;采用FWO法和VW法测定的IMBPF/环氧树脂复合材料的表观活化能均高于对照样(未改性的BRF),且FWO法估算数值高于VW法;纳米CaCO_3对复合材料的热降解特性具有调控作用;FWO法和VW法处理的结果总体相差不大,但前者优于后者.

重频激光辐照对碳纤维/环氧树脂复合材料的力学损伤

主要研究了碳纤维/环氧树脂复合材料在不同参数重复频率激光辐照后的损伤形式变化以及其拉伸性能变化规律。结果表明,复合材料在激光辐照下的损伤形式主要分为单一基体损伤和基体与增强纤维共同损伤两种类型;激光峰值功率密度和脉冲宽度的增大对复合材料损伤形式影响较大,而辐照时间和重复频率的增大可增加复合材料的损伤程度,但对材料损伤形式影响较小;激光能量密度是影响复合材料辐照后拉伸强度保留率的最主要因素,而影响复合材料辐照后拉伸模量保留率的最主要因素为连续碳纤维增强相的损伤程度。

碳纤维/环氧树脂复合材料3.0~6.5km/s超高速撞击成坑特性研究

为研究碳纤维/环氧树脂复合材料在超高速撞击下的成坑特性,利用二级轻气炮开展了直径为1.00~3.05 mm的铝球以3.0~6.5 km/s的速度正撞击尺寸为100 mm×100 mm×20 mm的碳纤维/环氧树脂复合材料靶板的实验,获得了碳纤维/环氧复合材料靶板的成坑形貌特征,并测量了坑深、成坑表面积、表面损伤面积等尺寸。结合文献数据分析了靶板的无量纲成坑深度p/d_(p)、无量纲坑径系数D_(h)/d_(p)、表面损伤面积等效直径D_(e)等随撞击速度、撞击能量的变化规律。结果表明:碳纤维/环氧树脂复合材料的无量纲成坑深度p/d_(p)和无量纲坑径系数D_(h)/d_(p)均与撞击速度呈2/3次幂关系;表面损伤面积等效直径D_(e)与弹丸撞击能量E呈幂函数关系;成坑深度大于成坑半径。

硒掺杂对碳纤维/环氧树脂复合材料导电性能及机敏性的影响

以锗硒玻璃(GeSe_4)作为硒源制备一维硒纳米纤维(SeF),将其与碳纤维(CF)按一定体积比混杂,制备硒/碳共混环氧树脂(SeF/CF/EP)复合材料。测量SeF掺杂前后复合材料的体积电阻率变化,分析SeF/CF混杂比对材料导电机敏性的影响。结果表明,SeF掺杂前,碳纤维/环氧树脂复合材料(CF/EP)体积电阻率随纤维长度的增大而降低,随CF含量的增加呈阶段性减小趋势,2、4和6 mm长度的CF/EP复合材料的渗滤阈值分别为0.9%、0.3%和0.05%,随温度的升高,CF/EP复合材料先后呈现正温度效应(PTC)和负温度效应(NTC),无明显光敏特性;SeF掺杂后,复合材料导电性能显著提高,当SeF/CF体积比为3.06时,材料体积电阻率较掺杂前下降91%,随温度的升高,SeF/CF/EP复合材料的体积电阻率始终保持PTC效应,光敏特性显著增强。