热氧老化对三向正交碳/玻璃纤维/双马复合材料力学性能的影响

采用三点弯曲和层间剪切测试法研究热氧老化对三向正交碳/玻璃纤维/双马复合材料(三向正交复合材料)和对应的层合碳/玻璃纤维/双马复合材料(层合复合材料)力学性能的影响.分析复合材料的失重行为以及不同老化时间下的红外光谱、宏观和微观形貌、弯曲性能和层间剪切性能.结果表明:热氧老化导致的大量树脂分解在复合材料表面及内部产生大量裂纹,界面性能不断下降,最终导致复合材料整体力学性能的下降,但三向正交复合材料的性能保留率始终高于层合复合材料.这是因为,三向正交复合材料有Z向纱存在,裂纹沿着层间传播时会受到Z向纱的阻挡,因此能在树脂和界面性能严重退化的情况下使所有纤维成为一个整体来抵抗外力.此外,采用"改进型随机过程模型"对200℃下老化180天的三向正交复合材料的弯曲强度数据进行预测,预测误差小于10％,说明该模型具有较高的可靠性.     

热氧老化对碳纤维织物增强聚合物基复合材料弯曲性能的影响

为了探索增强体结构对碳纤维增强聚合物基复合材料(CF-PMCs)热氧老化后弯曲性能的影响,对三维四向编织碳纤维/环氧复合材料(简称为三维编织复合材料)和层合平纹碳布/环氧复合材料(简称为层合复合材料)的热氧老化性能进行了研究。利用FTIR、老化失重、弯曲测试和SEM等手段分析了热氧老化前后的试样。结果表明:热氧老化导致基体树脂的氧化断链以及纤维/基体界面结合力的退化是两种复合材料弯曲强度和弯曲模量下降的原因,弯曲强度比弯曲模量更容易受热氧老化的影响。在相同的热氧老化条件下,层合复合材料的热氧老化失重大于三维编织复合材料的,而三维编织复合材料的弯曲强度和弯曲模量保留率均大于层合复合材料的。在140℃下老化1 200h后,层合复合材料的弯曲强度和弯曲模量保留率分别为74.7%和88.3%,而对应的三维编织复合材料的分别为79.4%和91.5%。因此,采用三维编织预制件作为CF-PMCs的增强体是一种有效的提高其热氧稳定性的方法。     

碳纤维-玻璃纤维混杂增强环氧树脂三维编织复合材料薄壁圆管压溃吸能特性与损伤机制

基于三维编织成型及真空辅助树脂传递成型技术,制备了编织纱和轴纱不同混杂方式(编织纱/轴纱:碳纤维-碳纤维(CF-CF)、碳纤维-玻璃纤维(CF-GF);玻璃纤维-碳纤维(GF-CF))增强环氧树脂(EP)的三类三维编织复合材料薄壁圆管,通过准静态轴向压溃及详细的破坏断面观察,研究了纤维混杂方式对薄壁圆管的能量吸收性能和破坏模式的影响。研究发现:CF-CF/EP样品的比能量吸收值分别比GF-CF/EP大36%,比CF-GF/EP大12%。编织纱为碳纤维时(CF-CF/EP及CF-GF/EP),圆管的破坏模式均为折叠破坏模式,编织纱采用碳纤维能有效地遏制中央裂纹的轴向扩展,折叠变形的三维结构内部发生了较多细小的微观破坏。而编织纱为玻璃纤维的GF-CF/EP,破坏模式则为开花内外弯曲式,中央裂纹产生,三维结构呈现分层并向圆管内外弯曲。      

热氧老化对碳纤维双马树脂基复合材料性能的影响

采用三点弯曲测试方法,研究热氧老化对碳纤维双马树脂基复合材料弯曲性能的影响,分析复合材料的失重行为以及不同老化时间下的弯曲性能、断口形貌、动态力学性能和红外谱图。结果表明:随着老化时间的增加,老化温度为100℃时的质量损失率逐渐趋于平稳,180℃时的质量损失率逐渐增加。老化温度为100℃时,只是物理老化,没有新物质的生成;而老化温度为180℃时,发生了化学老化,产生了热老化效应和氧化反应,引起了基体性能和界面性能的退化。热氧老化对复合材料弯曲强度的影响要大于对弯曲模量的影响。     

碳纤维高温退浆处理对聚酰亚胺复合材料热老化的影响

分别从复合材料热氧化失重、表面和微观形貌、力学性能和玻璃化转变温度等方面，对比研究了碳纤维退浆和未退浆两种状态的聚酰亚胺复合材料在330℃下热老化过程中的性能变化规律及机理。结果表明：碳纤维退浆可以降低聚酰亚胺复合材料的热氧化失重率。碳纤维未退浆的复合材料由于界面层含耐温性低的环氧上浆剂，在热老化过程中界面容易破坏，导致裂纹较多，边缘纤维较快发生脱离。未退浆的复合材料虽然在老化前具有较高的层间剪切强度，但在热老化前期降低较快，退浆的复合材料在200 h老化后层间剪切强度反而更高。两种复合材料老化前的弯曲强度基本相当，但未退浆的复合材料在老化前期弯曲强度下降较快；退浆对弯曲模量影响不大。退浆后的复合材料玻璃化转变温度提高了15℃左右；经热老化后，未退浆的复合材料玻璃化转变温度略有提高，而退浆的复合材料基本不变。因此，对碳纤维进行高温退浆处理有利于提高聚酰亚胺复合材料在高温下长期使用的稳定性。     

长时耐300℃易成型聚酰亚胺树脂及其复合材料

以苯炔基苯酐为封端剂,异丙醇为酯化试剂和溶剂,采用原位聚合法合成一系列耐高温、易成型聚酰亚胺树脂。所制备的聚酰亚胺树脂溶液在室温下储存16周依然没有固体析出,且溶液黏度没有明显变化,显示出较好的室温储存稳定性。树脂低聚物的最低熔体黏度<300 Pa·s,显示出良好的熔体流动性和工艺窗口,适合模压或热压罐工艺。树脂固化物的玻璃化转变温度最高可达462℃,具有很好的耐热性能。T300/PMR-PE-2碳纤维复合材料室温弯曲强度为963 MPa,弯曲模量为53.0 GPa,层间剪切强度为56 MPa, 300℃下其力学性能保持率≥66%。300℃等温热氧老化500 h后,复合材料的热失重仅为0.96%,室温弯曲强度保持率为72%,层间剪切强度保持率高达98%,具有优异的抗热氧老化性能。     

高温老化对T700/HT280双马来酰亚胺复合材料疲劳性能的影响

以多向铺层碳纤维增强双马来酰亚胺(T700/HT280)复合材料和双马来酰亚胺(HT280)树脂为研究对象,采用刚度降的方法研究高温老化对复合材料抗疲劳性能的影响。测量了复合材料和树脂的质损率,并利用FTIR、超声C扫描和动态力学热分析仪(DMA)对高温老化前后材料的化学结构、内部损伤、动态力学行为进行了分析。实验结果表明,随着高温老化时间的延长,两种材料的质损率均呈现先迅速增加后缓慢增加的变化规律。经历长期高温老化后,树脂发生了热氧老化。HT280树脂动态力学性能的变化归因于后固化与热老化效应,T700/HT280复合材料则归因于后固化、热老化和界面脱粘的综合作用。高温老化后T700/HT280复合材料刚度下降的速率与幅度明显小于原始态,表明高温老化后复合材料的后固化与热老化的强化效应明显,导致其抗疲劳性能有一定的提高。     

不同热氧环境对T800碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响EI北大核心CSCD

不同热氧环境(70,130,190℃)对碳纤维复合材料的性能有着重要的影响。分析了不同热氧环境下T800碳纤维/环氧树脂复合材料的失重特性,并对比了老化前后的表面形貌、红外光谱、动态力学性能和层间剪切性能。结果表明:在热氧老化初始阶段,质损率急速上升,老化温度越高质量损失越快;试样表面形貌随热氧温度的升高其破坏程度逐渐加剧,在190℃老化后,纤维表面树脂脱落严重,纤维与纤维之间出现裂缝空隙,无树脂填充,在此老化温度下,试样发生了不可逆化学变化;试样的玻璃化转变温度会随老化温度的升高而变大,但内耗呈现先降低后增大再降低的趋势,在70,130,190℃热氧老化后试样剪切强度分别提高6.0%,13.7%和2.1%。相关实验结果和实验现象可为后续研究新型国产T800碳纤维/环氧复合材料提供数据参考。     

T700碳纤维增强环氧树脂基复合材料自然老化性能与机制

为验证复合材料的耐久性,对T700碳纤维增强环氧树脂基复合材料经自然老化后的微观形貌、表面元素含量、热性能与力学性能等进行了研究。结果表明: 在光氧老化与热氧老化的共同作用下,T700碳纤维增强EP-A环氧树脂基（T700/EP-A）复合材料表层树脂将发生老化降解,并且随自然老化时间的延长,T700/EP-A复合材料的玻璃化转变温度逐渐降低,未老化试样的玻璃化转变温度为207℃,经过自然老化处理3年后,其玻璃化转变温度降低为180℃,延长自然老化时间至5年时,其玻璃化转变温度进一步降低至172℃。而自然老化过程对复合材料力学性能可能同时存在着增强效应与损伤效应,因此造成了T700/EP-A与T700/EP-B复合材料的不同力学性能表现出相异的变化趋势。随自然老化时间延长,T700/EP-A与T700/EP-B复合材料纵向拉伸强度表现出先升高后降低的趋势,纵向弯曲强度表现出逐渐升高的趋势,纵向压缩强度与层间剪切强度存在波动,未呈现出明显变化。      

原位在线监测多因素协同对玻璃纤维/环氧树脂复合材料热老化性能的影响

针对玻璃纤维增强聚合物(GFRP)复合材料作为火电烟囱内衬的服役老化问题,以玻璃纤维/环氧树脂(GF/EP)复合材料为研究对象,用正交试验法研究温度、偶联剂含量和热流老化时间等因素对GF/EP复合材料热损伤后的质量损失率、弯曲强度和剪切性能的影响。采用金相显微图像处理法测量计算GF/EP复合材料的孔隙率,使用自主设计并搭建的原位在线监测系统对GF/EP复合材料进行测试。结果表明,不同因素对GF/EP复合材料性能的影响程度不同。偶联剂含量的增加会有限改善GF/EP复合材料的质量损失率,而温度因素对复合材料弯曲强度的影响较大,复合材料本身存在的后固化行为会影响弯曲性能的变化趋势,随温度升高弯曲强度总体下降了11.8%。GF/EP复合材料的层间剪切强度与热老化时间密切相关,16 h相比8 h热流老化后的层间剪切强度均值提高了10.2%。      

碳纤维三维角联锁机织复合材料弯曲作用下力阻响应

电阻法在碳纤维复合材料结构健康监测(SHM)中具有巨大应用前景。本文研究了碳纤维三维角联锁机织复合材料经向和纬向试件在弯曲作用下力-电阻响应,探究电阻变化与复合材料结构损伤的相关性。试验结果表明：经向和纬向试件在弯曲作用下电阻变化与试件主要承载纱线损伤情况具有相关性。准静态三点弯曲加载下,试件电阻变化可以反映试件承载能力变化：在最大载荷点之前,试件电阻基本不变;主要承载纱线发生断裂损伤时,电阻增加。弯曲疲劳加载下,试件电阻变化可以反映试件承载能力退化情况：在弯曲疲劳加载前期,三维角联锁机织复合材料呈现负压阻效应;随着循环次数增加,基体裂纹、界面脱粘等不可逆损伤不断累积,电阻缓慢增大;在弯曲疲劳加载后期,主要承载纱线断裂,电阻显著增加;试件最终疲劳失效时,电阻急剧增加。     

2.5D机织石英纤维增强树脂复合材料不同方向力学性能测试与模量预测2.5D机织石英纤维增强树脂复合材料不同方向力学性能测试与模量预测

石英纤维增强树脂复合材料常用于多物理场耦合环境下,为保证足够的层间性能,常采用2.5D机织的结构形式。本文对一种浅交弯联2.5D机织石英纤维增强双马树脂复合材料的三维力学性能进行全面测试,对比分析了材料在不同方向的拉伸性能和压缩性能,以及面内、面外剪切性能。测试结果表明,该复合材料的纬向拉伸、压缩模量略高于经向,而拉伸、压缩强度远高于经向,导致经向和纬向拉、压破坏模式差异显著,拉伸时弯曲的经向纤维被拉断,平直的纬向纤维劈裂,压缩时平直的纬向纤维压断,弯曲的经向纤维屈曲。同时,该种材料具有较高的面内、面外剪切变形能力。此外,本文基于混合定律,提出了一个2.5D机织复合材料经、纬向模量估算公式。基于材料微观结构特征,以包含经纱和纬纱的一个单胞作为代表性体积单元,建立有限元模型,预测该2.5D机织复合材料经向模量,预测结果与试验结果吻合很好。本文的研究对2.5D机织石英纤维/双马树脂复合材料的研发具有一定的指导意义。      

氧化处理对MCMB为基体的C/C复合材料性能的影响

以自烧结性中间相沥青炭微球(MCMB)为基体,以沥青基磨碎炭纤维为增强体,采用简单的氧化处理、混合、热压成型、炭化等工艺一步制备C/C复合材料。研究了MCMB氧化处理深度对C/C复合材料的密度、失重、体积收缩率、弯曲强度及断面形态的影响。结果表明:C/C复合材料的密度和体积收缩率均较无炭纤维添加的炭块有所下降,当添加的炭纤维氧化程度足够深时,炭材料的抗弯强度得到明显提高;随着MCMB氧化时间的延长,C/C复合材料的断面逐渐变得平整;经250℃氧化60 min的MCMB与硝酸90℃氧化10h的炭纤维混合,热压成型后1000℃炭化1h得到的C/C复合材料的密度可达1.64 g/cm3,抗弯强度可达72.0 MPa。与现行的制备C/C复合材料的方法相比,本技术具有工艺简单、制备成本低廉等特点,是一种具有很大发展潜力的制备高性能C/C复合材料的新方法。      

Micro-CT Characterization on the Meso-Structure of Three-Dimensional Full Five-Directional Braided Composite

The meso-structure is important in predicting mechanical properties of the three-dimensional (3D) braided composite. In this paper, the internal structure and porosity of three-dimensional full five-directional (3DF5D) braided composite is characterized at mesoscopic scale (the scale of the yarns) using micro-computed tomography (micro-CT) non-destructively. Glass fiber yarns as tracer are added into the sample made of carbon fiber to enhance the contrast in the sectional images. The model of tracer yarns is established with 3D reconstruction method to analyze the cross-section and path of yarns. The porosities are reconstructed and characterized in the end. The results demonstrate that the cross sections of braiding yarns and axial yarns change with the regions and the heights in one pitch of 3DF5D braided composites. The path of braiding yarns are various in the different regions while the axial yarns are always straight. Helical indentations appear on the surfaces of the axial yarns because of the squeeze from braiding yarns. Moreover, the porosities in different shapes and sizes are almost located in the matrix and between the yarns.     

三维编织SiC/SiC复合材料拉伸和弯曲损伤机制

为了研究三维编织SiC/SiC复合材料损伤机制,开展了室温条件下的单调拉伸和三点弯曲试验。实验前,利用CT扫描手段,明确了三维编织SiC/SiC复合材料试样的编织组织形态。对拉伸和三点弯曲试样的微观分析表明:原生孔洞和微裂纹导致了材料在单调拉伸过程中形成局部应力集中,随着拉伸载荷的增大,基体的横向开裂和纤维束间纵向层间裂纹逐渐演化形成纤维内部裂纹,导致材料最终的脆性断裂失效;在三点弯载荷作用下,表现为剪切、拉压共生的多耦合破坏模式,拉应力一侧首先发生失效,随后在中性面处发生剪切破坏,紧接着失效迅速向上下两侧扩展,直至截面在整个厚度方向发生失效;断口与纤维束的走向相关性很大,裂纹基本上沿着纤维束之间的界面进行扩展,导致最终失效未发生在理论失效位置处。      

碳密封涂覆光纤在编织复合材料中的应用

碳密封涂覆光纤由于具有良好的强度性能和抗疲劳能力,已应用于海底光缆、军用制导光纤以及苛刻环境下的光纤传感系统中。本文作者研究了碳密封涂覆光纤在三维碳/环氧编织复合材料中的应用。将该光纤成功地编入编织复合材料试件并成型。对该光纤在编织前、后以及成型后的光学性能进行了测试。设计了使用碳密封涂覆光纤的偏振式光纤传感器,并用其对试件处于弯曲受力状态的情况进行了测试。     

Internal Strain Measurement in 3D Braided Composites Using Co-braided Optical Fiber Sensors

3D braided composite technology has stimulated a great deal of interest in the world at large. But due to the three-dimensional nature of these kinds of composites, coupled with the shortcomings of currently-adopted experimental test methods, it is difficult to measure the internal parameters of this materials, hence causes it difficult to understand the material performance. A new method is introduced herein to measure the internal strain of braided composite materials using co-braided fiber optic sensors. Two kinds of fiber optic sensors are co-braided into 3D braided composites to measure internal strain. One of these is the Fabry-Parrot (F-P) fiber optic sensor; the other is the polarimetric fiber optic sensor. Experiments are conducted to measure internal strain under tension, bending and thermal environments in the 3D carbon fiber braided composite specimens, both locally and globally. Experimental results show that multiple fiber optic sensors can be braided into the 3D braided composites to meas