自成核行为在CF/PPS复合材料中的差异性与普适性

以半结晶高分子为基体的碳纤维增强热塑性复合材料,其基体的结晶行为将受到碳纤维表面性质与热历史的共同影响。当这种材料在经历反复加热冷却的热循环过程时,基体会产生自成核行为,其结晶过程变得更加复杂。通过三种T300级碳纤维分别制备了碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)复合材料,并探究了二次熔融温度与CF/PPS复合材料结晶行为的关系,揭示了不同碳纤维表面性质对CF/PPS复合材料自成核行为的影响。在此基础上阐明了CF/PPS复合材料基体自成核与CF异相成核的竞争关系。最后,通过冲压成型制得具有自成核行为的CF/PPS复合材料角片,验证了自成核对于CF/PPS复合材料二次热成型技术的有效性与重要性。

碳纤维增强热塑性复合材料感应焊接的温度控制及接头强度

随着热塑性复合材料在航空领域的用量日益增加,如何解决结构复杂热塑性航空部件的连接问题引起了研究者的广泛关注。利用其可二次成型的特点可采用焊接,感应焊接是其中一种快捷、可靠的连接方式。感应焊接工艺过程稳定,可实现连续化焊接,是一种人为因素介入较少、小(焊接装置小)、快(焊接速度快)、灵活的焊接技术,也被视为热塑性复合材料连接技术未来最重要的发展方向。本文采用热电偶测温研究了连续碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)焊接试样厚度方向上温度分布及温度随时间的变化规律,确定了不同功率下焊接试样可焊的最长时间。采用定点焊接的方式研究了焊接功率及时间对单搭接剪切强度的影响,并探索了不同植入层用于CF/PPS热塑性复合材料感应焊接的可行性。

马来酸酐接枝聚丙烯增强碳纤维织物聚丙烯复合材料界面的研究

研究了马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)偶联剂对碳纤维织物(CFF)增强聚丙烯(PP)复合材料力学性能的影响以及CFF与基体的界面相互作用。采用模压成型工艺制备了一系列不同MAPP含量的CFF/PP复合材料层合板。扫描电镜观察断裂形貌发现,随着MAPP的加入,断口拔出的CFF中PP基体覆盖较多,CFF/PP界面脱黏较少。随着MAPP添加量的增加,界面黏结力得到改善。复合材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量、冲击强度和层间剪切强度均显著提高2~10倍。当MAPP质量分数超过10%~15%后,力学性能趋于平稳然后下降。

不同内径碳纤维复合材料轴管的振动性能研究

利用脉冲激振实验技术和有限元分析方法,分别采用实验和有限元计算两种方法研究了轴管内径对碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)轴管自由状态下的振动性能的影响。结果表明:随着CFRP轴管内径的增加,其固有频率值增大,当轴管内径从50 mm增加到70 mm时,固有频率增加了39.13%,仿真和实测固有频率结果基本一致,仿真模型可靠。不同内径CFRP轴管在自由状态条件下第一阶振动都发生了弯曲振动,振动时1/4和3/4处不变形而中间和两端变形较大。随着CFRP轴管内径增加,振动衰减系数逐渐减小,衰减系数下降速率逐渐变缓。轴管内径引起阻尼性能的变化对轴管自由状态振幅衰减有较大影响,但是对固有频率影响较小。

基于氧化石墨烯修饰活化碳纤维的聚醚醚酮基复合材料

碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料是重要的航空热塑性复合材料,其弱点是碳纤维(CF)与基体界面结合性差,导致层间剪切强度(ILSS)较低。文中将氧化石墨烯/聚醚酮酮(GO/PEKK)混合上浆剂涂覆于活化CF表面,制备了纤维-基体界面修饰的具有高ILSS的CF/PEEK复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱和热重分析分别对表面修饰剂及其改性CF的微观形貌与结构进行表征,采用静力学测试、动态力学分析和SEM等对复合材料断裂行为进行评价与分析。结果表明,当GO质量分数不超过0.5%时,在PEKK中分散良好;由于界面修饰剂的氢键作用,CF/PEEK复合材料的弯曲强度、模量和ILSS均大幅提高,断裂形式从纤维-基体脱粘转变为基体变形及断裂,表明基体与增强体的相互作用增强。

风冷和导热板对CF/PPS复合材料自感应焊接的影响

随着热塑性复合材料在飞机上的用量日趋增多,感应焊接作为未来热塑性结构件连接技术的最重要发展方向而倍受重视。感应焊接技术目前存在的主要问题在于焊接过程中最高温度面难以锁定于焊接面,而常位于更靠近线圈的表面附近。本文针对连续碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)层合板,研究了空气喷嘴和陶瓷导热板对于CF/PPS复合材料感应焊接过程的影响规律。结果表明,空气喷嘴和导热板的使用均可以有效地降低焊接过程中层合板上表面的温度,避免靠近线圈的上表面树脂在焊接过程中发生高温熔融或降解,从而保证CF/PPS自感应接头的外观完整性。此外,本文研究了单向预浸料制备的CF/PPS层合板进行自感应焊接的可行性。结果表明,由0°和90°交替铺层的CF/PPS层合板由于内部存在交流导电回路,可在低频高功率条件下实现自感应焊接。

模压成型工艺参数对CF/PEEK复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的影响

连续碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料是重要的医疗器械及航空航天热塑性复合材料,可采用模压成型工艺制备层合板及结构,其工艺参数影响复合材料力学性能。本文主要考察了模压成型温度、压力以及降温速率等参数对CF/PEEK复合材料Ⅰ型层间断裂韧性(G IC)的影响规律,并通过扫描电镜表征复合材料撕裂面的微观形貌,分析材料失效模式。较高的模压成型温度可提高基体分子链流动性,适中的成型压力有利于控制树脂不被过多挤出模具,适中的降温速率可降低结晶度并抑制界面粘结强度的损失,均有利于提高CF/PEEK复合材料的G IC。

基于Fibersim的碳纤维复合材料油底壳设计

在汽车轻量化背景下,对金属油底壳进行碳纤维复合材料轻量化设计。首先从轻量化程度、设计性和安全性三个方面出发确定油底壳构件碳纤维复合材料化的可行性;其次,通过Catia软件对原金属油底壳进行结构简化处理,根据复合材料结构设计的规范,去除相关后期机加工结构。通过等刚度替换原理初步确定碳纤维复合材料油底壳的总体厚度为3 mm。依据结构优化、工艺设计和铺层结构等方面的设计规范,利用Fibersim软件进行油底壳结构的铺层设计,探讨盒类复杂件的铺层裁剪方案。分别对碳纤维复合材料油底壳结构的0°,90°,–45°和45°的铺层进行铺覆可行性分析,对不满足铺覆可行性的铺层分别使用剪口和分块方案并评估,最终依据不合格率和完整度两项指标确定剪口方案为最佳方案。

低速冲击载荷下CFRP-Al多胞薄壁管的耐撞性

为了研究低速冲击载荷下碳纤维复合材料-铝(CFRP-Al)多胞薄壁管的吸能特性,进行了单胞混合管的落锤冲击实验及有限元可靠性验证,提出了多胞混合管的模型设计方案。探讨了肋板数目、CFRP缠绕角度、胞元壁厚和CFRP层数对多胞混合管轴向抗冲击性能的影响规律。结果表明,加入肋板结构后,多胞混合管的最大压溃距离较单胞混合管下降了44.2%,抗变形能力明显提高。缠绕角度为[60°/-60°/90°]的多胞混合管表现出最佳的综合耐撞性能。当CFRP与Al管厚度比t C∶t Al为3∶4~9∶4时,比值越大,抗变形能力越强,比值越小,吸能性越好。运用灰色关联方法计算了不同权重方案下的灰色关联度,对各多胞混合管的综合耐撞性进行了排序及评价。评价结果表明,肋板数目越多,胞元壁厚越小,多胞混合管的耐撞性越好。

碳纤维-氧化石墨烯/环氧树脂复合材料的制备及表征

采用改进的Hummers法制备了五种具有不同氧化程度的氧化石墨烯(GO)。借助元素分析、X射线光电子能谱及FTIR红外光谱测试对所制备GO的组成及结构衍变进行了表征。利用光学显微镜对不同GO在固化剂异佛尔酮二胺(IPDA)中的分散状态进行观察,并将分散效果最佳的GO试样用于改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料。结果表明,随着氧化剂用量及反应时间的增加,GO的氧化程度也随之增加。在氧化程度较低时,GO表面官能团主要以羰基、羧基和酚羟基为主。随着氧化程度的不断提高,GO表面官能团主要为醚、环氧和醇羟基结构。GO在IPDA中的分散状态与其氧化程度密切相关,氧化程度最低和最高的GO均出现明显的聚集现象。另外,GO表面在分散过程中可被IPDA化学改性。在EP基体中加入分散效果最佳的GO(0.2wt%)后,与CF/EP复合材料相比,CF-GO/EP复合材料的弯曲强度、层间剪切强度和II型层间断裂韧性分别提高了14%、17%和14%。

碳纳米管改性CF/PEEK复合材料的力学与电磁屏蔽性能

为了制备兼具优异力学性能和电磁干扰屏蔽效能的结构功能一体化耐高温热塑性复合材料,对添加不同组分碳纳米管(CNT)的连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料(CF-CNT/PEEK)的力学性能、电导率以及电磁干扰屏蔽效能(EMI SE)进行了研究。考察用上浆后的CNT (SCNT)作为导电填料制备的SCF-SCNT/PEEK层合板力学性能、界面形貌和屏蔽效能,并与不进行表面修饰、仅活化的CNT (ACNT)的效果做对比实验。结果表明,适量的CNT会使CF/PEEK层合板的力学性能、电导率和EMI SE得到提高;SCNT比ACNT更容易在PEEK中均匀分散,且与SCF和PEEK的结合更好。所有样品中,仅添加1wt%SCNT的SCF-SCNT/PEEK层合板与不添加CNT的层合板相比,拉伸强度提高了20.8%,达到778 MPa;弯曲强度提高了25.9%,达到1 684 MPa;电导率提升5倍,达到0.15 S/cm;电磁干扰屏蔽效能提升69.76%,平均值达到34.97 dB。

基于导热板的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料感应焊接温度调控

研究了碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料感应焊接中厚度方向及焊接面内的温度分布及调控。基于对温度分布结果的分析,使用导热板结合真空袋压的方式对CF/PEEK进行感应焊接,结合使用合适的功率及加热时间,测试了焊接件的单搭接强度,观测分析了焊接件的断裂形貌。结果表明,导热板对层合板表层和边缘均有良好的散热效果;焊接功率越低,焊接面的加热均匀性增加,但是会延长加热时间。在真空袋中对层合板上表面和两侧添加导热板,在输出功率示数为600时感应焊接300 s,焊接件的单搭接剪切强度达到41.57 MPa。

制备工艺条件对掺杂短绒剪切增稠胶动态力学性能影响研究

剪切增稠胶(STG)是新型的柔性功能材料,在外界应力作用下自身能够增稠变韧,展现出抗低速冲击的防护潜力。掺杂短绒是提升STG动态力学性能的一项有效手段。为了深度提升该掺杂短绒STG的动态力学性能,重点探究STG制备过程中搅拌转速和混合温度等工艺条件对其动态力学性能的影响,采用动态热机械分析仪测试所制备的STG样品在不同剪切频率下的动态模量,发现搅拌转速更影响掺杂短绒STG的动态力学性能,试验范围内提高搅拌转速更能增强动态力学性能。此外,发现搅拌转速为825r/min、混合温度为60℃的工艺条件下所制备的STG损耗因子最小,说明其动态力学性能最优。通过优选掺杂短绒STG的制备工艺条件,提升了STG的动态力学性能,以促进其在柔性防护材料中的应用。

原位聚合制备碳纤维增强MC尼龙6复合材料及其性能表征

通过己内酰胺的原位阴离子聚合和真空灌注成型(VARI)工艺制备了碳纤维(CF)/浇铸(MC)尼龙6热塑性复合材料。采用微控电子万能试验机、傅立叶红外光谱(FTIR)、差示扫描量热仪(DSC)、金相显微镜、扫描电镜(SEM)等对复合材料的力学性能、结构、热性能和形貌进行了评价。测试结果表明,聚合成型温度为160℃时所制备的CF/MC尼龙6复合材料的拉伸强度达到197 MPa,弯曲强度达到295 MPa;复合材料中MC尼龙6组分的热性能与商业尼龙6相近,碳纤维在MC尼龙6基体中分布均匀,碳纤维与MC尼龙6的界面粘接良好。

CF/PPS热塑复材试片感应焊接工艺初步研究

通过热电偶在位监控,研究了CF/PPS热塑复材试片感应焊接过程中的温度变化过程及温度分布情况。在此基础上探索了试片感应焊接工艺,重点研究了风冷、加压两种工艺方法对感应焊接效果的影响。观察了焊接试片形貌,分析了焊接工艺参数、方法对焊接试片形貌的影响。测试了感应焊接试片的单搭接强度,并与模压制造的单搭接试片性能进行了对比,提出了对工艺方法进一步改进的设想。

准静态轴压载荷下Al-CFRP梯度混合管的多目标优化设计

依据功能梯度结构设计原理,采用变厚度碳纤维复合材料层缠绕金属铝管的方式制备了Al-CFRP梯度混合样管,采用准静态轴向压缩实验对比了纯Al管、等厚度混合管以及梯度混合管的压溃与吸能特性,验证了梯度管的力学性能优势。在以上分析的基础上建立了梯度混合管有限元模型,通过对比压溃过程中具有典型压溃特征的6个压溃瞬时,发现有限元模型的压溃特性与变形模式均与实验结果具有较高的吻合度。分析了不同梯度系数下Al管壁厚和纤维缠绕角度对梯度混合管压溃性能的影响。结果表明,Al管壁厚对结构压溃性能影响显著,梯度系数对结构的峰值载荷和压溃力效率影响较大,碳纤维复合材料缠绕角度对结构压溃性能影响较小。为获取最优梯度混合管设计方案,采用基于响应面的多目标映射优化方法获得了吸能特性提升显著的梯度混合管结构形式。