Analysis on the Bonding Failure Mechanism of High Modulus Carbon Fiber Composites

In order to explore the bonding failure mechanism of high modulus carbon fiber composite materials,the tensile experiment and finite element numerical simulation for single-lap and bevel-lap joints of unidirectional laminates are carried out,and the stress distributions,the failure modes,and the damage contours are analyzed. The analysis shows that the main reason for the failure of the single-lap joint is that the stress concentration of the ply adjacent to the adhesive layer is serious owing to the modulus difference,and the stress cannot be effectively transmitted along the thickness direction of the laminate. When the tensile stress of the ply exceeds its ultimate strength in the loading process,the surface fiber will fail. Compared with the single-lap joint,the bevel-lap joint optimizes the stress transfer path along the thickness direction,allows each layer of the laminate to share the load,avoids the stress concentration of the surface layer,and improves the bearing capacity of the bevel-lap joint. The improved bearing capacity of the bevellap joint is twice as much as that of the single-lap joint. The research in this paper provides a new idea for the subsequent study of mechanical properties of adhesively bonded composite materials.

Dynamic Flexural Modulus and Low-Velocity Impact Response of Supercomposite^TMLaminates with Vertical Z-Axis Milled Carbon Fiber Reinforcement

In work reported here, the dynamic properties and low-velocity impact response of woven carbon/epoxy laminates incorporating a novel 3D interlaminar reinforcement concept with dense layers of Z-axis oriented milled carbon fiber SupercompositeTM prepregs, are presented. Impulse-frequency response vibration technique is used for non-destructive evaluation of the dynamic flexural modulus (stiffness) and loss factor (intrinsic damping) of woven carbon/epoxy control and SupercompositeTM laminates. Low-velocity punch-shear tests were performed on control and SupercompositeTM laminates according to ASTM D3763 Standard using a drop-weight impact test system. Control panels had all layers of 3K plain woven carbon/epoxy prepregs, with a dense interlaminar reinforcement of milled carbon fibers in Z- direction used in designing the SupercompositeTM laminate—both having same areal density. Impulse-frequency response vibration experiments show that with a 50% replacement of woven carbon fabric in control panel with milled carbon fibers in Z direction dynamic flexural modulus reduced 25% - 30% (loss in stiffness) and damping increased by about the same 25% - 30%. Low-velocity punch-shear tests demonstrated about 25% reduction in energy absorption for SupercompositeTM laminates with the replacement of 50% woven carbon fabric in control panel.

Experimental Study for Improving the Toughness of Harden Cement Using Carbon Fiber

Many measures, such as water injection, acid fracturing, thermal recovery, have been taken in the oilfield development. These can easily induce brittle fracture of set cement. Most of all, there are greater potential for fractures in set cement in slim holes. Therefore, it is necessary to improve the toughness of the cement mantle. Results obtained from experiments show that carbon fiber, with a concentration of 0.12%-0.19% in cement and a length of 700 to 1,400μm, plays an important role in improving cement quality. Addition of carbon fiber can improve the bending strength of set cement by up to 30%. At the same time, the increase in fiber concentration can lower the elastic modulus and increase the Poisson＇s ratio of set cement. Thin-section analysis shows that fiber can effectively prevent the propagation of fractures and enhance the plasticity of the matrix and the ability to prevent fracture.

碳纤维复合材料压缩强度影响因素研究

采用碳纤维束丝法制备碳纤维复合材料,借助DSC、XRD、SEM、万能材料试验机和动态接触角等测试方法,研究了碳纤维和树脂性能对碳纤维复合材料压缩强度的影响。实验结果表明,与环氧树脂E51相比,浇铸体拉伸模量较高的环氧树脂TDE85制备的碳纤维复合材料压缩强度较高;在本研究范围内,树脂环向支撑厚度增加有利于碳纤维复合材料压缩强度的提高;受微晶结构抵抗外界破坏能力的影响,HTS40,CCF300,CCF700H三种碳纤维复合材料的压缩强度随着碳纤维拉伸强度和拉伸模量的增大而增大,而T800H,GW5535,M40J三种碳纤维复合材料的压缩强度随拉伸模量的增加呈下降趋势。

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。

高导热沥青基碳纤维复合材料在航天器中的应用现状及展望

随着新一代航天器不断朝着超大型化、微小型化、高效能化方向发展,航天器对轻质高强高模高导热材料的需求日益迫切。相比传统的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维,高导热沥青基碳纤维具有超高的热导率、更高的拉伸模量以及更低的热膨胀系数,是实现承载/传热/热尺寸稳定性功能一体化的理想材料,在航天领域得到了重要应用并展现出巨大应用前景。本文介绍了高导热沥青基碳纤维及其复合材料的性能特点、发展现状以及在航天器中的应用现状,重点从航天器热管理结构、热防护结构、高尺寸稳定性结构、多功能结构、电子设备外壳等方面综述了其应用现状,最后对高导热沥青基碳纤维复合材料的发展及应用前景进行了展望。

碳纤维及碳纤维布混凝土抗冻性及能量耗散试验研究

为探究碳纤维增强方式对混凝土材料抗冻性能及能量耗散影响规律,利用纵波波速仪以及电液伺服压力机获取冻融循环作用(0,25,50,75,100次)后四种混凝土(素混凝土、碳纤维混凝土、碳纤维布混凝土、碳纤维及碳纤维布混凝土)的纵波波速及力学性能,分析碳纤维增强方式、冻融循环次数对试件相对动弹性模量、峰值应力、能量耗散及损伤度影响规律。结果表明:①相较于冻融循环0次素混凝土,冻融循环25,50,75,100次试件相对动弹性模量降幅分别为8.21%、18.33%、30.44%、45.89%,冻融循环次数的增加使试件相对动弹性模量降低,碳纤维及碳纤维布均能减缓试件相对动弹性模量降幅;②冻融循环次数的增加使四种不同混凝土试件峰值应力均呈降低趋势,碳纤维及碳纤维布不仅能够增强试件强度,还能够增强其抗冻性,且两者组合时对试件的提升效果最佳;③相较于未冻融试件,冻融循环25,50,75,100次时弹性变形能降幅分别为3.87%、7.63%、9.67%、12.70%,耗散能降幅分别为10.42%、21.97%、30.16%、41.60%,冻融作用会使试件内部产生损伤,降低试件储能、耗能效果;④三种碳纤维混凝土在达到峰值应力时对应机械损伤度值显著高于素混凝土对应机械损伤度值,碳纤维的增强作用能够有效提升混凝土材料吸能效果、延展性及抗冻性。

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。

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%)。

碳纤维复合材料刚性界面相和刚柔界面相构筑研究进展

碳纤维树脂基复合材料(CFRP)具有轻质、高强、高模量等优异性能,在航空航天领域有广阔的应用前景。界面作为连接树脂基体和碳纤维(CF)增强体的桥梁,是影响复合材料力学性能的重要因素。针对碳纤维与树脂的模量差异过大的问题,提高界面相的模量使两者的模量平稳过渡,提高应力传递效率,是改善界面性能的有效策略。本文主要综述了近年来刚性界面相、刚柔界面相的构筑方法及其对复合材料增强效果的研究进展,并对碳纤维树脂基复合材料界面相存在的问题进行了讨论,对今后界面增强的研究方向进行了展望。

高性能碳纤维双马树脂复合材料在航空领域的应用

聚丙烯腈基碳纤维因其高强度、轻质、耐疲劳等优异性能,被用于制备高性能复合材料,成为先进复合材料的主要增强纤维材料之一,已广泛应用于航空、航天等尖端技术领域。高强中模碳纤维增强树脂基复合材料是当前及未来长期内主要的航空结构复合材料。综述了国内外高强中模碳纤维的发展现状,介绍了基于高强中模碳纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料的性能特点及其在航空领域的应用,并展望了我国高强中模碳纤维产业的发展前景。

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。

中温环氧MF6052高模碳纤维织物复合材料性能研究

以中温环氧树脂为基体,以MF6052高模碳纤维织物为增强材料,通过热熔两步法成功制备了一种预浸料,制备出的预浸料具有良好的物理和工艺性能。并采用模压成型工艺制备了复合材料层压板,复合材料表现出良好的室温力学性能、较高的拉伸模量和优异的疲劳性能,拉伸模量达94.0 GPa,拉伸疲劳强度达353 MPa。相比中温T300级和T800级碳纤维织物预浸料复合材料,拉伸模量分别高出44%和34%,疲劳性能与T800级碳纤维织物预浸料复合材料相当,同时面内剪切性能和层间剪切性能良好,表明研制中温环氧树脂与MF6052高模碳纤维织物界面结合良好,成功实现了中温环氧高模碳纤维织物预浸料的国产化研制。

修复材料与牙体组织力学适配性的研究进展

牙齿作为发挥咀嚼功能的主要器官,可承受无数次功能性接触,这与它的力学性能和组织结构密切相关。牙釉质和牙本质的硬度较高,并且它们具有梯度化的结构,这使得牙齿既能承受咬合力,又不致轻易折裂。当牙体组织缺损时,往往需要全冠修复体来恢复牙齿正常的形态与功能。常用的全冠修复材料有金属材料、陶瓷材料以及最近兴起的聚醚醚酮材料。金属材料在美学方面存在一定劣势,目前在临床上应用相对较少。不同组成成分的陶瓷材料在性能及美学上的表现有所差异,但弹性模量与硬度过高,在力学性能方面都超过了牙体组织,与牙体组织学力学性能不匹配。与此不同,聚醚醚酮材料的弹性模量低于牙体组织,与骨组织相似,但通过纤维增强等方式能够提高它的性能。当修复材料与牙体组织的力学性能并不完全适配时,两者之间的界面往往形成潜在的薄弱环节,最终影响修复的稳定性和长期效果。本文介绍了牙釉质和牙本质的力学性能以及相对应的结构特点,并在此基础上,分析现有修复材料的优势与局限性,进一步探究口腔全冠仿生设计的可能性。

检测过程对48K大丝束碳纤维拉伸弹性模量的影响

以中复神鹰SYT45S-48K碳纤维作为研究对象、SYT55S-12K碳纤维作为试验参比,从预加载荷、固化温度、加载速率、加捻四个方面探讨检测过程对48K大丝束碳纤维拉伸弹性模量的影响。结果表明,对试样施加初始载荷约为破坏载荷的5%,加载速率为15 mm/min、样条固化温度为130℃、加强片固化温度为120℃时,其拉伸弹性模量不低于252 GPa,且与第三方检测机构对标结果一致。

钛合金与碳纤维复合身管在无后坐力炮中的应用分析

为满足现代装备轻量化要求,以无后坐力炮的钛合金与碳纤维复合身管为研究对象,采用静态水压试验方法测得变形率,分别与理论计算、数值模拟计算的变形率进行符合性验证,得到实测变形率与理论计算变形率误差在±5%以内,实测变形率与模拟计算变形率误差在±6%以内,变形率误差在可接受范围。对碳纤维复合材料身管进行水压爆破试验,结果表明:碳纤维T700和M46的安全应力和变形率分别为1.874 4 GPa、1.18%和1.465 9 GPa、0.6%,在该试验数据的基础上,使用实炮进行射击试验,测得的最大变形率为0.19%,该变形率小于0.6%,从工程应用角度考虑,钛合金内衬外缠碳纤维复合材料能够满足身管轻量化应用要求。

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。

国产高模碳纤维/环氧复合材料的太阳电池板热循环适应性研究

国产CCM40J-6K高模碳纤维基板的空间高低温热循环耐受性是决定其是否可以大规模应用于空间太阳电池板的关键因素,必须解决交变热环境下的面板与电池电路的匹配性和长寿命问题。本文以国产CCM40J-6K高模碳纤维/环氧复合材料的太阳电池板为研究对象,开展了热循环环境适应性试验研究,分别从国产和进口碳纤维基板适应高低温交变能力对比、国产碳纤维基板铺设电池电路后适应热环境能力以及电池板在轨寿命等3个方面进行测试试验。结果表明:国产碳纤维CCM40J-6K所构成的电池板综合性能与进口M40JB-6K相当,CCM40J-6K基板与三结砷化镓电池片匹配性良好,国产碳纤维电池板经疲劳热循环后的开路电压和短路电流的变化率分别为0.55%和0.24%,太阳电池片和玻璃盖片外观完好无损,太阳电池电路与基板聚酰亚胺面保持绝缘,且碳纤维表面无脱粘现象。说明国产碳纤维CCM40J-6K能够应用于太阳电池板研制。

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。

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。