生物基可降解环氧树脂及其可回收碳纤维复合材料的研究进展

环氧树脂是目前应用最为广泛的热固性树脂之一,其固化后会形成不溶、不熔的高度交联的三维网络结构,从而导致树脂及其碳纤维复合材料的降解困难而且难以再加工,造成了严重的资源浪费与环境污染。采用可再生生物质原料制备生物基可降解环氧树脂及其碳纤维复合材料,在缓解能源危机、减轻环境污染和实现资源再利用上具有重要意义。综述了生物基可降解环氧树脂及其可回收碳纤维复合材料的研究进展,主要包括含有热或化学不稳定键的可降解环氧树脂的合成、性能、降解机理及其碳纤维的无损回收,并总结了其优缺点。

连续碳纤维/环氧树脂基复合材料增材制造设备研制

课题利用连续碳纤维与环氧树脂原位浸渍的方法,设计出原位碳纤维增强环氧树脂复合材料增材制造设备。采用龙门架结构作为移动机构,铺丝头承担碳纤维预浸丝的铺放动作。由于设备的结构设计以及其重要机构的强度对设备的铺放精度有着巨大的影响,所以要对铺放设备的关键受力零部件进行静力学分析,确保其设计强度满足设备正常工况下的运行。实验结果表明,设备结构满足设计要求,可以完成正常工况下的碳纤维预浸带精准铺放。

国产T700碳纤维用环氧树脂及其复合材料性能研究

本文针对国产碳纤维特点研制一种新型改性环氧树脂配方,测试CCF700S碳纤维NOL环、单向板以及Ф150mm标准容器水压爆破,并对爆破后复合材料结合SEM对碳纤维的微观结构进行表征。试验结果表明,该改性环氧树脂体系与CCF700S碳纤维浸润性好,界面粘接能力强,力学性能优异,改性环氧树脂体系适用于CCF700S碳纤维湿法缠绕工艺。

碳纤维表面化学结构对其增强环氧树脂基复合材料性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟手段,构建了碳纤维氧化表面及其增强的环氧树脂基复合材料模型。系统研究了碳纤维表面含氧官能团演变与碳纤维表面张力的作用关系,构建了碳纤维的不同氧化表面增强的环氧树脂模型,并进一步升温固化,获得最终的热固性复合材料。揭示了不同碳纤维表面化学结构对复合材料的剪切、拉伸及弯曲性能的影响。研究结果表明:—C=O和—COOH的含量提升有利于碳纤维表面能的提高,这主要归因于—C=O双键可弥补—C=C—破坏损失的表面共价键能,也提高了表面非键相互作用能。此外,一定含量含氧官能团的引入对复合材料力学性能均有不同程度的提高,但过量的含氧基团则削弱了力学性能。当电流密度为0.69 A/m^(2)时,对应碳纤维增强环氧树脂基复合材料的剪切应力、拉伸强度和弯曲强度均为最优,进一步提升的电流密度使得复合材料的力学强度均逐渐降低。

盐环境对含孔损伤碳纤维复合材料的性能影响

研究了含孔损伤T700碳纤维/环氧树脂基复合材料在不同浓度、时间和温度的盐溶液环境老化后的性能变化并分析其破坏机理。对其进行盐溶液水浸老化吸湿试验后,分析其质量变化、老化前后SEM微观形貌、玻璃化转变温度、红外光谱分析和开孔拉伸性能。结果表明,盐溶液的浓度对材料性能影响较小,而盐溶液老化的时间和温度对其影响明显,随温度和时间的增加吸湿速率越快,玻璃化转变温度下降幅度越大,试样形貌损伤破坏越严重,纤维与基体界面发生破坏,开孔拉伸强度明显下降。

纺丝工艺对T700级碳纤维及其复合材料性能的影响

采用同种上浆剂对不同纺丝工艺国产T700级碳纤维进行上浆,测试分析了不同纺丝工艺碳纤维的表观性能、接触角、展纱性、毛丝量及硬挺度,并对两种纺丝工艺碳纤维制备的复合材料的力学性能进行了测试分析。结果表明:干喷湿纺碳纤维的表面光滑,截面形状基本为圆形,湿纺碳纤维的表面有沟槽,截面形状大部分为近圆形或椭圆形,少量为腰形;干喷湿纺碳纤维在耐磨性、集束性和硬挺度方面均优于湿纺碳纤维,而湿纺碳纤维的展纱性及浸润性优于干喷湿纺碳纤维;干喷湿纺碳纤维制备的复合材料的层间剪切强度比湿纺碳纤维的高12%,干喷湿纺碳纤维制备的NOL环的拉伸强度及强度转化率也高于湿纺碳纤维的。

高性能T800碳纤维复合材料树脂基体

在分析T800碳纤维表面上胶剂的基础上,系统研究了适用于制备高性能T800碳纤维复合材料的树脂基体,测试了树脂浇注体及其复合材料的力学性能和热机械性能,研究了树脂基体对T800碳纤维复合材料界面性能的影响。结果表明,T800碳纤维表面上胶剂中酯基含量较高,与缩水甘油酯类环氧树脂有良好的界面相容性,经复配和优化的树脂体系其T800碳纤维复合材料的层间剪切强度达到138 MPa,NOL环拉伸强度达到2530MPa,玻璃化温度(Tg)达到213℃,具有优异的界面性能和耐热性能。

活性碳纳米管对T700 CF/环氧树脂复合材料性能影响

本文通过对多壁碳纳米管进行酸化、酰氯化和氨基化处理,然后与活性稀释剂进行预反应,制备出了一种具有反应活性的碳纳米管。将0.5wt%的活性碳纳米管分散到环氧树脂中,通过湿法缠绕工艺制备出T700碳纤维/环氧树脂多尺度复合材料NOL环。实验结果表明,活性碳纳米管的加入能够显著降低树脂的表面能而对黏度影响不大;同时复合材料NOL环的拉伸强度、模量、断裂伸长率和层间剪切强度分别提高了8.9%、12.2%、1.8%和17.0%;树脂与纤维的界面黏结得到明显改善;复合材料玻璃化转变温度提高了16℃。

湿热环境对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料力学性能的影响

对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料进行湿热老化实验,通过质量变化、老化前后表面形貌、红外光谱、动态力学性能,层间剪切和压缩实验,研究3.5%(质量分数,下同)NaCl溶液和去离子水两种介质分别在70℃下溶液浸泡对碳纤维/环氧树脂基复合材料力学性能的影响。结果表明:T800碳纤维/环氧树脂基复合材料在去离子水和3.5%NaCl溶液中的吸湿率相对较低,分别为0.82%和0.67%;未老化试样纤维与基体之间黏结良好,在3.5%NaCl溶液老化后纤维与基体界面破坏相比去离子水中老化更严重;经去离子水中浸泡后剪切强度降低8.8%,压缩强度降低4.3%;在3.5%NaCl中浸泡后剪切强度降低10.1%,压缩强度降低4.7%。在两种溶液老化后试样的T g降低,但相差不大。此次研究结果对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料在腐蚀环境中的应用提供了依据。

T700碳纤维增强树脂基复合材料的制备与性能研究

采用模压成型的方法制备T700碳纤维增强树脂基复合材料层合板,通过试验观测不同热压温度对复合材料组织性能以及弯曲性能的影响。发现热压温度为50℃时,复合材料弯曲性能最佳,弯曲强度最高为875 MPa,最大载荷为345 N。基体溶液的黏度及流动性受温度影响较大,热压温度较低,复合材料力学性能较差;但是过高的热压温度会提高其固化速率且会使基体被部分压出,从而降低复合材料的力学性能。

悬浮改性耐高温环氧树脂基复合材料的性能与增韧机制

针对热塑性树脂改性环氧树脂体系黏度迅速增加的问题,本工作采用酚酞基聚芳醚酮(PEK⁃C)悬浮增韧改性耐高温环氧树脂,研究了PEK⁃C悬浮法和溶解法增韧对改性树脂体系的流变性能、增韧效果和耐热性能的影响。结果表明,PEK⁃C悬浮体系的稳定性能较好,规避了PEK⁃C溶解体系黏度高的问题,在室温下的黏度满足湿法缠绕的要求。PEK⁃C在环氧树脂悬浮体系中的溶解性能优异,对环氧树脂本身固化反应和PEK⁃C相分离过程的影响较小。本工作将改性树脂体系和原树脂体系湿法缠绕成型碳纤维复合材料层压板,证明PEK⁃C的引入提升了复合材料的力学性能,通过扫描电子显微镜(SEM)和显微镜表征了层压板拉伸断面的微观结构,探究了PEK⁃C改性碳纤维复合材料的增韧机制。

碳纤维/环氧树脂基复合材料增韧改性研究进展

为改善碳纤维/环氧树脂基复合材料的脆性断裂问题,常通过树脂增韧和纤维改性等方式实现。本文从树脂改性、界面改性及结构设计3个方面综述了碳纤维增强环氧树脂基复合材料的研究进展。其中树脂改性主要有纳米材料改性、橡胶弹性体改性及热塑性树脂改性增韧等方式,通过增加填充粒子与树脂基体间键合来提高环氧树脂的韧性;界面改性主要是碳纤维表面改性,通过增加碳纤维表面活性官能团或多尺度进行表面改性,增强碳纤维和环氧树脂之间的界面结合性能,达到复合材料增韧的效果;复合材料结构设计主要是设计纤维铺层角度、厚度、结构,通过结构优化来增强复合材料的韧性。最后分析了3种改性方式存在的问题,并指出3种方式结合使用是未来复合材料改性的研究方向。

碳纳米管基体改性碳纤维增强环氧树脂基复合材料的性能研究

为研究碳纳米管(CNTs)对碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CF/EP复合材料)性能的影响,采用超声共混的方式将CNTs引入到CF/EP复合材料基体体系中,制备CNTs基体改性碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CF/EP-CNTs复合材料)。对两种复合材料的黏弹性能、热稳定性能、弯曲性能和耐疲劳性能进行测试。结果表明40.0℃时CF/EP-CNTs复合材料的储能模量E′值较CF/EP复合材料提高了16.1 GPa,Tg值略有降低;CF/EP-CNTs复合材料开始热降解的温度较CF/EP复合材料低,热稳定性略有下降;CF/EP-CNTs复合材料的弯曲强度和弯曲模量比CF/EP复合材料分别提高了6.3%和15.9%;经40000次弯曲疲劳后,CF/EP-CNTs复合材料的弯曲强度保持率和弯曲模量保持率高达90.7%和93.8%。

T800碳纤维增强树脂基单向复合材料动态力学性能测试研究

使用霍普金森压杆(SHPB)装置对国产T800碳纤维增强环氧树脂基单向复合材料的动态压缩性能进行测试,根据样品内应力均匀和恒应变率加载要求,优选了整形器尺寸和样品尺寸,并对复合材料的动态压缩性能和失效方式进行了初步探索。结果表明,通过控制退火态紫铜整形器直径和撞击杆入射速度,可以获得具有不同上升沿斜率的加载波,厚度为0.5mm、直径为8mm的紫铜整形器可以获得理想的入射波;厚度为7mm、直径为12mm的圆柱型样品可实现动态压缩过程中的恒应变率加载;在动态压缩条件下,碳纤维增强环氧树脂单向复合材料具有显著的应变硬化和应变率强化效应,其断裂形式包括纤维/基体脱粘、纤维拔出断裂、复合材料整体剪切断裂、基体解理开裂和基体分层剪切断裂等5种混合断裂形式。

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。

碳纤维/环氧树脂单向复合材料的吸湿残余应力研究

对碳纤维增强环氧树脂基(CFL/EP)单向复合材料在湿热环境下吸湿残余应力进行了研究。首先,采用ABAQUS有限元软件计算了环境温度T=37℃及T=80℃条件下随时间变化的材料中水分分布,该结果和材料吸湿实验结果吻合较好,同时也发现碳纤维随机分布模型能更好地模拟复合材料吸湿行为;随后,根据获得的水分分布对随时间变化的吸湿残余应力进行了研究。结果表明:树脂基体长时间吸湿导致的残余应力能够达到很高的水平(30MPa以上),其中纤维间距较小的基体区域以及基体和纤维界面处的应力水平明显高于其他区域,而在界面处应力值最高。这种高水平的残余应力在吸湿、脱湿循环下可能导致材料发生疲劳损伤及失效。

国产T700S碳纤维增强复合材料压力容器的成型工艺

分别采用扫描电子显微镜、傅立叶变换红外光谱仪对国产T700S碳纤维表面形貌及表面涂层进行了表征,通过NOL环实验对两种树脂体系进行优选,找到了一种与国产T700S碳纤维匹配性较好的树脂体系,然后设计正交试验,对影响?150 mm复合材料压力容器成型的因素设置了不同的水平,通过正交试验比较,最终确定缠绕张力为40~50 N﹑封头补强方式为碳布补强环补强﹑胶槽温度55~60℃、刮胶板和滚胶筒间隙0.15~0.20 mm、缠绕后处理方式为玻璃布带环向/螺旋向各缠绕1层时,制作的复合材料压力容器特性指数最高(37.5 km),可作为国产T700S碳纤维进一步工程化应用的参考。

国产T700级碳纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料界面性能

分别以日本东丽T700S和国产T700级碳纤维作为增强体,采用热压罐成型工艺制备了双马来酰亚胺树脂基复合材料。对比研究了两种碳纤维表面物理、化学状态以及复合材料的微观界面性能、层间剪切性能。结果表明,国产T700级碳纤维表面沟槽结构分布较多,表面粗糙度较高,有利于与树脂基体形成更好的物理结合作用。虽然两种碳纤维的含氧官能团相当,但国产T700级碳纤维表面元素氧碳比较高,有利于与基体树脂形成更好的化学结合作用,其界面剪切强度较T700S碳纤维复合材料高约14%,复合材料的层间剪切强度高约19%。

国产T700级碳纤维表面特性对BMI复合材料湿热性能的影响

分别采用SEM、AFM、XPS和TGA对两种国产T700碳纤维和国外东丽T700S碳纤维的表面形貌、表面化学特性以及碳纤维上浆剂耐热性进行了表征,通过纤维性能转化率的计算,考查了T700碳纤维/双马复合材料的界面粘结性能,并通过T700碳纤维/双马复合材料湿热条件处理前后的0o拉伸强度和层间剪切强度测试对复合材料的耐湿热性能进行了表征。研究发现T700碳纤维的表面粗糙度和活性官能团含量等表面特性对双马复合材料的界面粘结性能具有显著影响,进而在一定程度上影响着双马复合材料的耐湿热性能。研究结果表明:国产T700碳纤维/双马树脂复合材料的耐湿热性优于国外同类T700碳纤维双马复合材料。

T700级碳纤维/QY9611双马树脂复合材料界面性能研究

采用SEM和AFM对国产T700级碳纤维和东丽T700S碳纤维的表面形貌进行了表征,利用热熔法预浸料制备了T700级碳纤维/QY9611复合材料,并考察了复合材料的界面性能。研究结果表明,碳纤维的形貌对复合材料界面性能有显著影响,国产T700级碳纤维/QY9611复合材料的室温界面性能优于T700S/QY9611复合材料,且湿热处理后的界面结合强度仍高于T700S/QY9611复合材料,说明国产碳纤维T700级碳纤维/QY9611复合材料已具备良好的耐湿热性能。