液态成型环氧树脂基复合材料增韧研究进展

总结了提高液态成型环氧树脂基复合材料韧性的三种方法,包括增韧树脂基体、层间增韧以及通过Z向增强来增韧。简要介绍了这三种方法各自的增韧机理、影响因素及优缺点。

RTM工艺成型国产T700碳纤维复合材料湿热性能

采用树脂传递模塑工艺制备了国产T700级碳纤维织物ZT7H3194U增强环氧树脂5284RTM复合材料层板。通过超声C扫描和显微分析法评价了层板的内部质量,研究了ZT7H3194U/5284RTM复合材料的吸湿特性,利用动态热力学分析评价了湿热老化对复合材料耐热性能的影响,研究了ZT7H3194U/5284RTM复合材料在室温干态及吸湿平衡后在高温条件下的力学性能。结果表明,所制备的复合材料层板内部质量良好。纤维体积分数为58%的ZT7H3194U/5284RTM复合材料的平衡吸湿率约为0.41%。随着湿热老化时间的延长,复合材料的玻璃化转变温度(Tg)及储能模量拐点温度(Tg m o d)均逐渐下降,并随着吸湿平衡而趋于平稳,达到平衡吸湿后,复合材料的Tg和Tg m o d仅分别下降了约7%和8%。吸湿平衡后的ZT7H3194U/5284RTM复合材料在高温条件下的力学性能保持率较高。综合湿热老化前后其耐热性能和力学性能的变化情况来看,ZT7H3194U/5284RTM复合材料具有良好的耐湿热性能。

等静压技术在材料加工领域的应用现状

主要阐述了等静压技术在金属、金属基复合材料、无机非金属材料以及聚合物材料等领域的应用现状,分析了等静压技术与3D打印复合成型技术的发展趋势,介绍了国内外等静压仿真模拟技术的研究进展,并对等静压技术的发展趋势提出展望。

耐350℃ RTM聚酰亚胺树脂及其复合材料性能

以苯乙炔苯酐(4-PEPA)为封端剂,异构联苯四甲酸二酐(α-BPDA)作为二酐单体,通过选择合适的二胺单体及优化配比,研制了耐温等级高于350℃,适用于RTM工艺的聚酰亚胺基体树脂HT-350RTM,选用U3160单向碳纤维织物作为增强体,采用RTM工艺制备了HT-350RTM树脂基复合材料层合板(U3160/HT-350RTM)。结果表明:HT-350RTM树脂最低黏度可达390mPa·s,在280℃下保持黏度低于1Pa·s的时间大于2h,能够满足RTM工艺的要求。经过高温固化后,HT-350RTM树脂的玻璃化转变温度为392℃,热分解温度(分解5%)高达537℃。采用RTM工艺制备的U3160/HT-350RTM复合材料层合板孔隙率仅为0.34%,室温下具有良好的基本力学性能,315℃和350℃下的力学性能保持率均高于60%,能够满足350℃工况下的长期使用要求。

尼龙无纺布结构化增韧层增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的湿热力学性能

采用尼龙无纺布(PNF)作为结构化增韧层,制备了PNF层间增韧改性的U3160碳纤维增强3266环氧树脂(U3160-PNF/3266)复合材料,研究了U3160-PNF/3266复合材料的面内力学性能及湿热老化后的力学性能变化,并分析了复合材料湿热老化前后的层间形貌。结果表明:PNF增韧层的引入并未导致复合材料面内力学性能的下降,与未增韧的U3160碳纤维增强3266环氧树脂(U3160/3266)复合材料相比,增韧复合材料U3160-PNF/3266的90°拉伸性能有所提高。而湿热老化处理对U3160-PNF/3266复合材料的基体和界面性能影响相对明显,尤其是尼龙纤维与树脂基体之间的界面结合性能,湿热老化处理后增韧复合材料的90°压缩和层间剪切性能保持率均明显低于未增韧复合材料的。

结构化增韧层增韧RTM复合材料预成型体的渗透特性

选用尼龙无纺布(Polyamide Nonwoven Fabric,PNF)作为结构化增韧层,研究了增韧层的引入对纤维预成型体在树脂传递模塑成型(RTM)工艺过程中渗透特性的影响。结果表明:在径向非饱和流动模式下,层间增韧预成型体沿纤维方向的渗透率为5.2×10-12 m2,略低于非增韧预成型体的7.1×10-12 m2,而沿垂直于纤维方向的渗透率为2.3×10-12 m2,略高于非增韧预成型体的1.6×10-12 m2。此外,层间增韧预成型体的单向饱和流动渗透率为2.6×10-12 m2,较非增韧预成型体的1.9×10-11 m2下降了约1个数量级,z向饱和流动渗透率较非增韧预成型体的1.3×10-13 m2下降至2.5×10-14 m2,同样下降了约1个数量级。对复合材料层间微观形貌的分析结果表明:造成预成型体渗透率下降的主要原因首先是PNF引入至层间之后将阻碍层间树脂的快速流动,同时增韧层将使层内纤维含量明显升高,由55.3vol%上升到63.7vol%。

还原石墨烯复合材料的力学和电磁性能

采用水合肼对氧化石墨烯进行还原,获得2种含氧量不同的还原石墨烯（rGO）,与双马来酰亚胺（BMI）树脂溶液混合并通过湿法预浸工艺制备碳纤维（CF）预浸料,采用热压成型工艺制备rGO-CF/BMI复合材料单向板。研究了rGO的还原程度及含量对复合材料力学性能、玻璃化转变温度及电磁性能的影响。结果表明：在较高温度下制得的rGO2比在较低温度下制得的rGO1具有更高的还原程度,rGO2在树脂中的分散性相对较差。当rGO1与rGO2的质量分数分别为0.1%和0.05%时,rGO1-CF/BMI复合材料和rGO2-CF/BMI复合材料的层间剪切强度分别达到最高,相对于CF/BMI复合材料均提高约14%,而弯曲性能和玻璃化转变温度基本不变。rGO2-CF/BMI复合材料的介电性能优于rGO1-CF/BMI复合材料,当rGO2的质量分数为0.1%时,在12.4~18.0GHz的频率范围内,rGO2-CF/BMI复合材料的介电常数实部较CF/BMI复合材料最高提高约6倍,介电损耗最高提高约3倍。在该频率范围内,rGO1-CF/BMI和rGO2-CF/BMI复合材料均呈弱磁性,对入射电磁波的作用为高反射、低吸收。

苯并噁嗪树脂及其玻璃纤维增强复合材料的阻燃改性

应用聚磷酸铵(APP)对苯并噁嗪(BOZ)树脂及玻璃纤维(GF)/BOZ复合材料进行了阻燃改性,结合热分析和微观形貌分析等研究了材料的阻燃机制。结果表明:APP可以明显提高BOZ树脂的阻燃性能,随APP含量的提高,树脂体系的极限氧指数逐渐提高,添加量为3wt%时可使BOZ树脂的极限氧指数从基体的31.5%提高到34.5%,并达到UL 94V-0级。APP的加入使改性树脂体系的分解温度前移,玻璃化转变温度略有下降,改性树脂体系固化反应提前,反应过程变得缓和。APP的加入使GF/BOZ复合材料的阻燃性能进一步提高,10wt%GF/APP-BOZ复合材料的极限氧指数从GF/BOZ的51.0%提高到57.7%。微观形貌分析表明:APP的加入使APP-BOZ改性树脂及GF/APP-BOZ复合材料燃烧后生成更为致密的炭层,从而使材料的阻燃性能得到提高。

钛酸钾晶须-玻璃纤维/苯并噁嗪混杂复合材料的摩擦磨损性能

利用六钛酸钾晶须(K_2O·6TiO_2)对苯并噁嗪(BOZ)树脂及玻璃纤维/苯并噁嗪(GF/BOZ)复合材料的摩擦磨损性能进行改性,分析了K_2O·6TiO_2/BOZ复合材料以及K_2O·6TiO_2-GF/BOZ混杂复合材料的摩擦磨损性能以及改性机理。结果表明:因K_2O·6TiO_2的加入,K_2O·6TiO_2/BOZ复合材料以及K_2O·6TiO_2-GF/BOZ混杂复合材料的摩擦系数和比磨损率较纯BOZ树脂和GF/BOZ复合材料的明显降低。K_2O·6TiO_2显著减轻了BOZ树脂和GF/BOZ复合材料的摩擦粘着状况,使摩擦系数降低,同时磨粒磨损情况也大为减轻。GF/BOZ复合材料在摩擦过程中摩擦应力通过率先破坏GF和BOZ树脂的界面,进而诱发破坏GF束内、GF束间和层间BOZ树脂,使得GF/BOZ复合材料的摩擦系数比BOZ树脂降低,但比磨损率较BOZ树脂升高,而K_2O·6TiO_2的加入,使K_2O·6TiO_2-GF/BOZ混杂复合材料的比磨损率有效降低。BOZ树脂、GF/BOZ、K_2O·6TiO_2-GF/BOZ 3种材料的摩擦系数和比磨损率分别为0.34和0.66×10^(-6) mm3·(N·m)^(-1),0.19和1.2×10^(-6) mm^3·(N·m)^(-1),0.09和0.69×10^(-6) mm^3·(N·m)^(-1)。

尼龙无纺布增韧RTM复合材料的湿热老化性能

采用尼龙无纺布(PNF)作为结构化增韧层,利用树脂传递模塑(RTM)工艺制备了PNF层间增韧改性的碳纤维增强环氧树脂基复合材料(U3160-PNF/3266),研究了U3160-PNF/3266复合材料的吸湿特性及湿热老化对其耐热性能的影响。结果表明:增韧前后复合材料具有相似的吸湿动力学特性,但在吸湿初期,U3160-PNF/3266复合材料具有更大的吸湿速率,达到饱和吸湿后,U3160-PNF/3266复合材料的饱和吸湿率约为0.96%,略大于非增韧复合材料U3160/3266的0.87%。随着湿热老化时间的增加,两种复合材料的玻璃化转变温度均逐渐降低,并随着吸湿率的饱和而趋于平稳,达到饱和吸湿后,U3160-PNF/3266和U3160/3266复合材料的玻璃化转变温度分别下降了约15%和14%。

国产CCF300碳纤维单向织物液体成型工艺性及其复合材料力学性能

选取国产碳纤维CCF300所制备的2种单向织物,单向无纬织物U3160及单向无屈曲织物KUC160,分别对其预成型体进行压缩特性和渗透特性测试,以研究2种单向织物的液体成型工艺性,并采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备2种单向织物/双马来酰亚胺树脂基复合材料,测试并对比其面内力学性能。结果表明:预成型体压缩试验中,嵌套效应受压力及织物层数影响较大,压力越高、层数越多,嵌套效应越显著。U3160织物的嵌套效应较KUC160织物更为明显,在较高压力下,KUC160织物预成型体的纤维体积分数较U3160织物的下降了约20%。渗透率测试结果表明:相比U3160织物,KUC160织物0°方向的渗透率较高,而90°方向的渗透率有所降低;这是由于经编线的绑缚作用能促进0°方向的宏观流动,而阻碍90°方向的微观渗透。此外,KUC160织物的经编线与U3160织物的纬向纱线的导流作用也对渗透率有影响。力学性能试验结果表明:相比U3160织物增强复合材料,KUC160织物增强复合材料0°方向的拉伸、弯曲和压缩性能均有所下降,拉伸强度和弯曲模量降幅最大,分别约为11%和21%;而层间剪切强度有小幅提高,增幅约为8%。

高强高模聚酰亚胺纤维/环氧树脂复合材料力学性能与破坏机制

以高强高模聚酰亚胺(PI)纤维为增强体,以航空级环氧树脂(EP)为基体,通过热熔法制备预浸料并采用热压罐成型技术制备了PI/EP复合材料层合板,对其力学性能和破坏形貌进行了分析。结果表明:高强高模PI纤维与EP具有良好的界面结合力,PI/EP复合材料的层间剪切强度为65.2MPa,面内剪切强度为68.6MPa;良好的界面结合状态能充分发挥PI纤维优异的力学性能,PI/EP复合材料的纵向拉伸强度达1 835MPa,弯曲强度为834MPa;PI/EP复合材料纵向拉伸破坏模式为散丝爆炸破坏,同时由于高强高模PI纤维还具有优异的韧性和较高的断裂伸长率,PI/EP复合材料从受力到失效断裂的时间较长;PI/EP复合材料纵向压缩破坏模式为45°折曲带破坏。高强高模PI/EP复合材料为航空航天先进复合材料增加了一个全新的选材方案。

高强高模聚酰亚胺纤维/改性氰酸酯树脂复合材料制备及性能

以4,5-环氧己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯(TDE-85)、苯基缩水甘油醚(PGE)、壬基酚(NP)作为改性剂改性双酚A氰酸酯(BCE)得到改性氰酸酯树脂(TPNCE),通过湿法缠绕制备预浸料,并采用热压罐成型工艺制备S30M型高强高模聚酰亚胺纤维/TPNCE(PI/TPNCE)复合材料,对TPNCE树脂及PI/TPNCE复合材料的介电、力学等性能进行了分析。结果表明,TPNCE树脂冲击强度达到14.2kJ/m2,比BCE提高近一倍,固化温度下降了约43℃,与PI纤维界面结合较好,且保持较低的介电常数和介电损耗;PI/TPNCE复合材料0°拉伸强度达到1 485MPa,弯曲强度达到758MPa,压缩强度达到322MPa,7~18GHz范围内介电常数保持在3.15左右,介电损耗因子在0.005~0.0075之间,玻璃化转变温度为197℃,密度为1.28g/cm3。本研究实现了高强高模PI纤维与氰酸酯树脂复合的重要突破,为轻质高强结构-功能一体化复合材料的设计和选材提供了新思路。

线性聚酰亚胺粉末冷等静压成型模拟及验证

文摘为了实现聚酰亚胺模塑粉的等静压近净成形,采用有限元软件ABAQUS对线性聚酰亚胺模塑粉的冷等静压(CIP)成型过程进行了模拟分析,利用Cam-Clay模型分析了圆柱体和长方体结构冷等静压成型前后的尺寸变化,并进行检验。结果显示圆柱体模拟与实验结果的误差在2.5%以内,长方体误差控制在4%以内,表明该模拟分析较准确预测了制件的尺寸变化。

“离位”增韧预成型体压缩特性

针对'离位'增韧预成型体的液态成型工艺性,研究了两种不同结构形式增韧层'离位'增韧预成型体的厚度压缩特性。分别采用多孔薄膜结构增韧层、高孔隙率无纺布结构增韧层与碳纤维织物交替铺层制备'离位'增韧预成型体,采用力学试验机测试其厚度压缩特性。实验结果表明,预成型体压缩过程中,在相同压力水平下,增韧层的引入会降低预成型体的纤维体积分数;不同压力水平下,预成型体的压缩行为与增韧层结构形式有关。此外,采用织物预成型体厚度压缩本构模型,对'离位'增韧预成型体的压缩厚度进行了预测,通过模型预测值与实验值的比较,确定了模型中的经验指数k=2时,两者吻合较好。