PE/CNT复合材料对空间质子的屏蔽效能仿真分析

随着遥感卫星对观测精度需求的增长,国内外积极探索新型高效质子防护材料。为研究聚乙烯掺杂碳纳米管屏蔽质子效能,本文利用Geant4软件开展质子屏蔽仿真,探究碳纳米管掺杂浓度、管壁直径、排布方式和管壁层数对复合材料质子屏蔽效能的影响规律,并与纯聚乙烯进行对比分析。结果表明,质子屏蔽效能对掺杂浓度、管壁直径和排布方式较敏感,受管壁层数影响相对较小;在高掺杂浓度、大管壁直径和规则排布的情况下,复合材料表现出更优异的质子屏蔽效能;相同质量厚度下,碳纳米管掺杂浓度为10%和20%的复合材料质子屏蔽后的电离剂量分别比纯聚乙烯最大降低了7.40%和12.83%。本文研究结果为辐射防护材料设计提供了数据支撑。

球磨方式对CNTs/Al复合材料显微组织与力学性能的影响

采用湿法球磨和干法球磨两种方式制备碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)和铝的复合粉体,再使用放电等离子烧结结合热挤压的工艺制备碳纳米管增强铝基(CNTs/Al)复合材料,系统研究了制备工艺-组织结构-材料性能之间的关系。结果表明,相较于干法球磨,湿法球磨可以更好地分散碳纳米管,且显著减少对其结构的破坏;乙醇球磨介质具有冷却作用,在减少粉体冷焊的同时有助于细化Al基体晶粒,从而使复合材料获得出色的力学性能。乙醇湿法球磨6 h后烧结并热挤压的2%CNTs/Al复合材料抗拉强度达到207 MPa。

原位生长CNTs对于铜基复合材料性能的影响

通过化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)法成功制备了CNTs/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料。采用内氧化法制备Cu-Al_(2)O_(3)粉末,利用CVD技术改善碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)在铜基体中的分散性和界面结合,提高复合材料的性能。在制备的铜基复合材料中,Al_(2)O_(3)和CNTs双增强相的加入能够提高复合材料的力学性能,且CNTs独特的纤维结构有助于阻止熔融铜脱离基体表面,保持液态熔池稳定,避免复合材料导电率降低。双增强相的添加提高了复合材料的耐磨性、抑制了腐蚀坑的形成。Al的质量分数为0.35%的CNTs/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料能够保证导电率较高的情况下得到较高的维氏硬度与致密度。为制备高性能铜基电接触材料提供了新思路。

双模CNT/Al复合材料变形过程的代表性体积单元模拟

目的研究双模CNT/Al复合材料在塑性加工过程中的微观结构演变行为。方法通过ABAQUS/Python二次开发,对双模CNT/Al复合材料代表性体积单元(RVE)进行参数化建模,并基于显式动力学求解器和欧拉-拉格朗日耦合技术,对双模CNT/Al复合材料RVE模型的单向压缩过程和挤压过程进行数值模拟分析。结果单向压缩模拟结果显示,结构心部异质区两侧的等效塑性应变较大,结构边缘基体区域的等效塑性应变相对较小;最大等效应力位于结构边角处的基体区域,而结构心部异质区的等效应力则相对较小。通过对异质区材料和形态的影响规律进行分析发现,当异质区为粗晶材料时,其变形后的形态更趋于扁平,而当异质区为细晶材料时,其变形后的形态更接近椭圆。通过挤压过程的模拟,实现了对变形过程中双模组织结构变化的分析,模拟结果显示,材料表面与模具贴合良好,异质区随变形的进行被不断拉长,部分异质区由于拉伸程度过大,甚至出现了分离的情况。结论提出的模拟方法为双模CNT/Al复合材料的挤压变形工艺设计和变形后组织结构预测提供了有效手段。

CNT薄膜电热原位共固化复合材料板的温度均匀性研究

碳纳米管(CNT)薄膜电加热原位共固化复合材料是一种免热压罐的高效节能工艺方法,是国家“双碳”战略下制备碳纤维复合材料的新途径。然而,在固化过程中CNT薄膜电加热的不均匀温度分布,易导致复合材料成型质量差,进而限制其应用。为此,研究揭示了CNT薄膜的电加热特性,阐明了加载电压、预浸料层数以及CNT薄膜层数/尺寸对复合材料温度分布的影响规律。结果表明,CNT薄膜具有高电热转换效率和良好的热稳定性,增加CNT薄膜层数和尺寸有利于改善复合材料面内温度分布。对于12层200 mm×180 mm预浸料,采用1.7倍尺寸的双层CNT薄膜可将复合材料固化过程中的面内温差降低至4℃以内,固化度达到99%以上,且相比传统烘箱固化,复合材料的拉伸强度提高了6.99%。研究结果为发展CNT薄膜电热原位共固化复合材料结构的温度均匀调控方法奠定了基础。

烧结温度对CNTs/Cu复合材料组织和力学性能的影响

采用电泳沉积法在铜箔上沉积碳纳米管,层层堆叠后在不同烧结温度(550,650,750,850,950℃)下热压烧结制备碳纳米管增强铜基(CNTs/Cu)复合材料,研究了烧结温度对复合材料显微组织和力学性能的影响。结果表明:随着烧结温度升高,复合材料中孔隙的数量减少,尺寸减小,碳纳米管分布均匀性增大,铜晶粒尺寸增大,退火孪晶晶粒尺寸增大但数量减少;随着烧结温度升高,复合材料的抗拉强度和显微硬度均呈先减小后增大的趋势,断后伸长率变化呈非单调性变化;当烧结温度为650℃时,复合材料的抗拉强度和显微硬度适中,断后伸长率最大,综合力学性能最好。

CNTs/Cu层状复合材料的制备及其组织和性能研究

采用扩散结合法将分散后的碳纳米管附着在铜箔表面,经裁剪、堆叠和预压后使用真空热压烧结炉进行烧结,制备出具有优良导电性的CNTs/Cu层状复合材料。使用SEM、EDS和XRD等对样品的微观形貌和成分进行表征,使用显微硬度计和导电率检测仪等对样品性能进行测试。结果表明:在热压烧结过程中,一定量铜扩散到CNTs层中,有效改善了碳纳米管层和铜层的结合能力。相比于纯铜,CNTs/Cu层状复合材料在硬度提高45%的同时,在平行于碳纳米管层方向导电率达到91%IACS,而垂直于碳纳米管层方向也仍具有80.6%IACS的导电率。

CNT/PDMS复合材料的直写打印技术及性能测试

针对复合材料的制备需求以及具有导电性能的碳纳米管(CNT)-聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料在柔性传感方向的使用需求,利用直写打印与复合材料制备相结合,研究了CNT/PDMS复合材料的直写打印工艺及测试了其传感性能。在实验中,配制了不同CNT含量的打印墨水,通过测试其自举性及导电性得到CNT含量为7%的墨水在打印时出丝顺畅且能打印复杂结构。优选200 kPa的挤出气压、20 mm/s的打印速度进行打印。通过对不同形状的网格打印效果和导电性进行测试,选择60%密度的网格进行打印。为了提高固化后的导电性,选择80℃,加热2 h进行固化。在此基础上,打印CNT含量不同的网格结构,测试其灵敏度在0~10 kPa范围内变化相对明显,往后加压电阻变化率增长速度放缓;对材料往复施加不同压力,其稳定性良好;将不同质量砝码间歇式的压在网格结构上时,测试得该复合材料的传感分辨率良好。这为后续研究直写打印技术制备复合材料打下了良好的基础。

PE纤维研究进展及其复合材料应用

PE纤维材料既有纤维的柔韧性,又兼具PE材料密度小、强度高、模量高等固有优势,与树脂、其他纤维、金属、陶瓷等材料结合,还可以根据需求制备不同种类的高性能PE纤维复合材料。PE纤维复合材料凭借较高的比强度,较好的耐磨、耐冲击、耐腐蚀、耐光等优良性能,已经广泛应用于个体防护装备、装甲防护等领域。综述PE纤维的性能特点、理化指标、制备工艺的研究进展及其产品化制约技术,并总结PE纤维复合材料的应用状况。

芦苇纤维用量对芦苇纤维/聚乙烯(PE)复合材料力学性能的影响

以芦苇纤维作为增强体,以高密度聚乙烯(HDPE)和线性低密度聚乙烯(LLDPE)共混物作为基体,制备芦苇纤维/聚乙烯(PE)复合材料。探讨了芦苇纤维用量对复合材料力学性能以及微观结构的影响。结果表明:当LLDPE和HDPE的质量比为30∶70、芦苇纤维用量为30%时,所得复合材料的综合性能较好;静曲强度达到最高值25.9 MPa,较PE共混材料提升了12.1%;拉伸强度达到最高值22.3 MPa,较PE共混材料提升了14.4%;冲击强度为6.7 KJ·m^(-2)。

航天用碳纳米管增强铝合金复合材料的力学与阻尼性能

碳纳米管(CNT)作为增强体的铝基复合材料(CNT/Al)具有轻质、高强、高模量、易加工的性能优势,用作轻量化材料在航天航空领域具有巨大的应用前景。为了获得兼顾其力学性能和阻尼性能的轻量化结构材料,采用叠片粉末冶金与合金化方法制备了质量分数为1.5%CNT/2A12复合材料,并研究了不同时效条件下的力学性能与阻尼性能。在130℃时效6~14 h时,复合材料具有最佳的拉伸强度与延伸率,抗拉强度最高可达595 MPa(时效12 h),延伸率最高可达14.0%(时效8 h)。复合材料的阻尼在0~180℃时变化不大,其在0.005左右,180~300℃时明显提高,300℃时可达0.05,阻尼性能受时效时间影响不大。复合材料的储存模量随测试温度升高而下降,在180~300℃时随振动频率升高而升高。时效条件为130℃-8 h时,质量分数1.5%CNT/2A12复合材料性能兼具良好的力学性能与阻尼性能。

T6态CNTs/Al-Zn-Mg-Cu复合材料的耐磨性能研究

采用熔融铸造法制备了12vol%CNTs(碳纳米管)/Al-Zn-Mg-Cu复合材料,再对该复合材料进行T6热处理。利用MG-200型摩擦磨损试验机研究了热处理前后CNTs/Al-Zn-Mg-Cu复合材料的干滑动摩擦磨损性能。试验结果表明:CNTs对Al-Zn-Mg-Cu合金有细晶强化作用,提高了合金的硬度,固溶处理消除了铸造复合材料中的第二相偏析,并且在时效处理之后MgZn2强化相的析出大幅度提升了材料的性能。在40 N的载荷和200 r/min转速时,T6态CNTs/Al-Zn-Mg-Cu复合材料的磨损率和摩擦系数分别为0.0489 g/mm和0.281,与铸造复合材料相比,材料的磨损率和摩擦系数分别降低64.79%和28.47%。这是由于热处理之后试样的强度和硬度增大,从而有效改善了材料的耐磨性能。未热处理的复合材料主要存在黏着磨损和磨粒磨损,而热处理之后复合材料的主要磨损机理为磨粒磨损。

碳酸钙晶须混杂聚乙烯纤维增强水泥基复合材料力学性能研究

为研究碳酸钙晶须掺量对聚乙烯纤维增强水泥基复合材料(PE-ECC)力学性能及微观结构的影响,设计了4组不同碳酸钙晶须掺量的PE-ECC试件,对其进行抗压性能试验、抗拉性能试验、三点弯曲断裂性能试验,并使用XRD、SEM、NMR技术对其微观结构进行研究。结果表明,碳酸钙晶须对PE-ECC有增强增韧作用,随着碳酸钙晶须掺量增加,这种增强增韧作用呈先增大后减小的趋势,当碳酸钙晶须掺量为1%(体积分数)时,PE-ECC的抗压性能、拉伸性能、断裂性能提升最佳。适量的碳酸钙晶须能填充基体,减少少害孔及多害孔数量,改善孔隙结构。

原位合成CNTs/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料的性能研究

对Al的质量分数分别为0.20%,0.35%,0.60%的Cu-Al合金粉末进行内氧化,得到CuAl_(2)O_(3)粉末。采用化学气相沉积法在Cu-Al_(2)O_(3)粉末表面原位生长碳纳米管(carbon nano tubes,CNTs),采用放电等离子烧结工艺成功制备了CNTs/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料。采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察了CNTs/Cu-Al_(2)O_(3)复合粉末、复合材料断口的形貌。采用显微硬度计、微拉伸试验机、摩擦磨损试验机分别对纯Cu及复合材料的维氏硬度、抗拉强度、摩擦因数进行测试。采用电化学工作站测试复合材料在3.5%NaCl(质量分数)水溶液中的耐腐蚀性能。结果表明,随着Al的质量分数的增加,粉末表面合成的CNTs的数量也增多。Al的质量分数为0.35%时,CNTs/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料的综合性能最佳,与纯Cu相比,复合材料的抗拉强度和腐蚀电势分别提高了86.4%和43.2%,分别为315 MPa和-0.268 V,摩擦因数降低了53.3%,仅为0.28。

挤压铸造(SiC_(w)+CNTs)/2024Al复合材料高温摩擦磨损性能

铝基复合材料因具有低密度、高硬度、高强度以及耐磨损等特点,是制备轻量化制动零部件的理想材料。本研究采用挤压铸造法和热挤压工艺制备了具有优异耐磨性的(SiC_(w)+CNTs)/2024Al复合材料。利用干滑动摩擦磨损实验研究了复合材料在高温条件(200℃)不同载荷(5~20N)下的耐磨性。研究表明,相较于2024Al,复合材料在高温低载荷条件下具有高且稳定的摩擦系数以及低的磨损率,而在高载荷条件下,其摩擦系数显著降低且出现明显的波动。通过增加载荷使得SiC_(w)和CNTs被拔出,CNTs自润滑能力及硬质SiC_(w)的表面强化作用得到充分发挥,大幅度降低了材料的摩擦系数。高温下2024Al被软化,发生粘着磨损,而复合材料中混杂增强体的存在有效提高了材料的高温耐磨性。

CNTs/Al复合材料变形和损伤行为数值模拟研究进展

CNTs(carbon nanotubes)/Al复合材料在塑性变形过程中CNTs和铝基体的力学响应复杂且存在相互影响,系统、深入地揭示微观组织损伤的产生和发展机制及其对宏观力学性能的影响规律十分困难。对复合材料的变形过程进行数值模拟,可以经济、高效地研究各种微观组织和外部因素对力学性能的影响,从而实现对损伤行为的准确预测。首先介绍了目前得到广泛应用的连续损伤模型和内聚力损伤模型,二者分别适用于描述不同条件下复合材料的变形和损伤行为;随后介绍了适合多尺度建模的代表性体积元模型,其适用于研究不同尺度下的组织结构特征对变形和损伤的影响。

搅拌针形状对搅拌摩擦加工制备CNTs/铝基复合材料均匀性的影响

采用搅拌摩擦加工技术(FSP)制备碳纳米管增强铝基(CNTs/Al)复合材料,研究了搅拌针形状对复合材料均匀性的影响。结果表明:搅拌针形状影响到塑化材料的迁移路径和程度,导致复合材料宏观形貌和均匀性发生变化。相比柱形,锥形搅拌针周围金属温度高,挤压区易于扩张,抽吸-挤压效应较强,形成的中心区面积大且均匀性较好;双螺纹搅拌针由于在板材上下两端形成两个材料迁移通道,挤压区相互重叠,材料混合程度加强,中心区CNTs分布均匀性最好。

马来酸酐接枝PP/PE共混物及其木塑复合材料

通过聚丙烯(PP)与聚乙烯(PE)机械混合来模拟废旧塑料混合物,利用马来酸酐(MAH)对PP/PE混合物进行接枝改性,然后以接枝共混物作为基体与木纤维复合制备木塑复合材料。通过对比接枝前后的红外光谱图,证明MAH已成功接枝在PP/PE共混物上。力学测试结果显示:基体经过接枝改性后,复合材料的弯曲强度和无缺口冲击强度均大幅度升高,当MAH用量为1%时,弯曲强度提高了50.4%,无缺口冲击强度提高了90.8%,而以废旧塑料为原料制备的复合材料的弯曲强度和无缺口冲击强度分别提高40.2%和53.4%。微观相形态分析表明:通过接枝改性不仅改善了PP/PE共混体系的相容性,同时也显著改善了木纤维与PP/PE共混物之间的界面结合状况,因而宏观上表现为力学性能提高。这表明,共混接枝改性方法可能是利用混合废旧塑料制备高性能木塑复合材料的一条可行途径。

CNTs的表面改性及其在环氧树脂复合材料中的应用

首先采用浓硫酸/浓硝酸对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行混酸氧化处理,再将氧化后的CNTs与DOPO改性后的硅烷偶联剂(DOPO-KH560)进行改性,制备了DOPO-KH560表面化学修饰的MWC-NTs。在此基础上,将改性前后的CNTs分散在环氧树脂体系中,制成样条,研究了处理前后样条力学性能的变化。材料表面结构的红外光谱(FT-IR)分析表明,CNTs混酸氧化成功,表面成功引入了羟基和羧基,而且DOPO-KH560成功接枝到酸化CNTs上。材料微结构的透射电子显微镜(TEM)观察表明,酸化后MWCNTs被截短,分散性变好,接枝DOPO-KH560后CNTs表面包覆了一层低聚物。对处理后的样条进行力学性能测试并用扫描电镜(SEM)分析观察断面形态的变化。结果表明,环氧树脂中加入CNTs,能有效地增加环氧树脂的韧性和强度,且加入原CNTs、氧化CNTs、改性后的CNTs时增强增韧效果逐渐增加,加入最终CNTs后环氧树脂的增强增韧效果最明显。

聚乙烯(PE)/OMMT纳米复合材料的结构、形态和性能

选择一种新型的有机改性蒙脱土(OMMT),在不加任何相容剂的条件下,利用熔融挤出法分别制备出了剥离型高密度聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料、插层型线型低密度聚乙烯/蒙脱土和低密度聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料。利用透射电子显微镜观察制备的复合材料的亚微观分散形态,确定了制备出的纳米复合材料的类型,并对不同亚微观结构形态进行了分析讨论,得出了不同分子结构影响纳米复合材料形成不同分散形态的结论;对于3种纳米复合材料的物理性能测试结果表明,不同亚微观分散形态的纳米复合材料的纳米效应不同,对物理性能的影响各有不同,对于聚合物/蒙脱土纳米复合材料的深入研究具有重大意义,同时分散均匀的纳米复合材料结构对于进一步研究聚乙烯纳米膜的气体阻隔性等性能奠定了良好的基础。