大直径沥青基炭纤维/ABS树脂高导热复合材料的制备与表征

将大直径中间相沥青基石墨化纤维定向排列后与ABS(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物)树脂通过热压成型,制备出单向炭纤维ABS树脂基复合材料。借助X射线衍射、扫描电子显微镜和偏光显微镜等手段对炭纤维及其树脂基复合材料的晶体结构、形貌和光学织构进行表征,并研究纤维石墨化温度及体积分数对其复合材料导热性能的影响。结果表明,复合材料沿炭纤维轴向和径向显示出差异;复合材料沿纤维轴向的室温热扩散系数随纤维石墨化温度和体积分数的增加而增大。     

工艺温度下树脂与纤维的接触角及其粘附作用研究

针对复合材料成型工艺条件下环氧树脂与碳纤维表面的物理化学作用,研究了不同温度下E51树脂以及E51/DDS、E51/咪唑树脂体系的表面张力,E51树脂与T700纤维单丝的接触角;并考察了E51树脂在T700纤维束表面的初始表观接触角。进而对比分析了升温过程中T700纤维与E51/DDS树脂体系的浸润特性,计算出纤维与树脂体系的热力学粘附功,考察了工艺温度条件下纤维与树脂体系的粘附特性。结果表明,升高温度、降低树脂黏度可有效改善纤维与树脂的浸润特性,树脂的黏度作用尤其显著。在树脂体系发生化学反应之前,升温对纤维/树脂粘附特性的促进作用较不明显。     

C/C-Cu复合材料的压缩性能及其破坏机理

以预浸炭布和铜网为原料用模压压制法制备炭纤维体积分数分别为35%、40%和45%左右的三种C/CCu复合材料,用Instron3369力学试验机测试了压缩性能。结果表明:炭纤维的体积分数是影响材料压缩性能的重要因素。在垂直方向上,材料的压缩性能随着炭纤维体积分数的增加而提高。炭纤维体积分数为40%的试样其压缩性能比35%的试样提高了20%,炭纤维体积分数为45%的试样比40%的试样提高了13%,提高的幅度呈先大后小的趋势。而在平行方向上,炭纤维的体积分数对压缩性能的影响没有垂直方向的显著,与试样的致密度有一定的关系。在三种试样中,炭纤维体积分数为45%的试样无论在垂直方向还是平行方向上的压缩强度都最大,分别为190.13 MPa和83.39 MPa。在平行方向和垂直方向上压缩强度的差异表明,C/C-Cu复合材料的压缩性能具有明显的各向异性。关于材料压缩的破坏方式,在垂直压缩受力方向近似沿45°对角线方向时,破坏方式为纤维层、铜网与基体炭的分离以及基体炭的压溃破坏。在平行方向压缩时炭纤维发生褶皱,并在褶皱区域产生拉压应力,使纤维发生折曲或者断裂,最终使炭纤维和基体炭以及基体炭和铜网的界面分层劈裂。     

VARI工艺成型纤维增强树脂复合材料层合板厚度和纤维体积分数的影响因素

分析了影响真空辅助成型技术（VARI）工艺成型复合材料的纤维体积分数和厚度均匀性的关键因素,即VARI成型工艺的树脂流动控制形式、纤维预制体状态、织物状态、树脂黏度,通过试验分析了各因素对VARI成型复合材料厚度和纤维体积分数的影响。试验结果表明,采用HFVI（high fiber-volume vacuum infusion）工艺、BA9914树脂及真空处理后的U3160单向机织物成型的纤维增强树脂复合材料层合板,其纤维体积分数和厚度均匀性能够接近预浸料/热压罐成型的复合材料制件的水平。     

复合材料层板热压工艺参数的分析与优化

在热固性树脂基复合材料热压成型过程中,外加压力和加压时机是决定层板厚度、纤维含量以及孔隙含量的两个主要因素.基于复合材料热压成型过程树脂流动模型,采用遗传算法,根据固化层板纤维体积分数的要求,对单向和正交两种铺层形式的T700/5228和T700/5224层板加压时机进行了分析.以航空航天应用的典型纤维含量为准,对优化得到的加压时机以及不同工艺条件下固化层板内纤维分布特点进行了分析.结果表明,纤维、树脂种类相同,铺层方式不同,加压时机差别很大;纤维种类、铺层方式以及初始和优化目标相同的条件下,不同树脂体系,加压时刻树脂粘度基本相同;层板内纤维分布均匀性主要由纤维层压缩特性决定.采用本文建立优化方法,可以快速地得到满足目标纤维含量要求的加压时机,具有重要的学术价值和工程应用意义,有助于降低成本,缩短复合材料研制周期.     

纤维含量和热处理对炭/炭复合材料性能的影响

研究了炭纤维体积分数和预制体热处理温度对炭/炭复合材料力学性能的影响.结果表明,随着预制体中炭纤维体积分数的增加炭/炭复合材料的硬度逐渐增加,但当炭纤维的体积分数大于30%时,炭/炭复合材料硬度增加的幅度减小.炭纤维体积分数的增加对炭/炭复合材料硬度的影响有两个相反的作用,纤维的增强作用将使硬度增大,而孔隙率的增加将导致硬度的减小.炭/炭复合材料的抗弯强度随着纤维体积分数的增加而增加,但因纤维体积分数的增加会导致孔隙减小.致使热解炭不能充分地渗透填充到纤维间的孔隙内,抗弯强度下降,所以随着纤维体积分数的增加,材料的弯曲强度会出现拐点.随着预制体热处理温度的不同,炭/炭复合材料有脆性断裂、整束纤维拔出的假塑性断裂和部分炭纤维拔出的假塑性断裂三种断裂机制.     

碳纤维/双马树脂复合材料抗高速冲击性能

采用热压罐成型工艺制备碳纤维/双马树脂复合材料,并采用空气炮冲击装置、超声水浸C扫描探伤装置和万能材料试验机等测试手段,研究碳纤维类型和碳纤维体积分数对复合材料层板抗高速冲击性能的影响.结果表明:与CCF300碳纤维、CCF700碳纤维和CCF800H碳纤维相比,TZ1000G碳纤维复合材料抗高速冲击性能最优;碳纤维体积分数越高,复合材料层板抗高冲击性能越高;碳纤维复合材料的破坏模式与冲击速率有关,冲击速率较低时,复合材料层板弹击面出现周围含纤维分层开裂的圆形凹坑,背弹面出现沿纤维方向的分层开裂;冲击速率较高时,复合材料层板弹击面出现周围含纤维分层开裂的圆形通孔,背弹面出现撕裂断口.     

复合材料等厚层板热压成型中树脂流动过程数值模拟

树脂基复合材料热压成型过程中树脂流动在很大程度上决定着层板纤维含量、 孔隙含量以及层板尺寸 , 根据有效应力原理与达西渗流定律建立了描述复合材料等厚层板热压成型过程树脂流动与纤维密实的数学模型 , 采用有限单元方法实现了热压成型中纤维密实均匀状况的预报。分析了温度边界条件、 铺层方式对树脂流动过程的影响。结果表明: 温度边界条件对计算结果影响比较大 ; 铺层方式对层板厚度以及纤维体积分数分布规律影响非常大 ; 边界条件以及材料参数的准确性直接影响计算结果的可靠性。以 T700S/环氧 5228单向层板为例进行了实验验证 , 结果表明计算与实验结果的一致性非常好。      

液体模塑成型工艺用纤维织物厚度方向饱和渗透率的预测模型液体模塑成型工艺用纤维织物厚度方向饱和渗透率的预测模型

树脂在复合材料预成型体厚度方向的渗透能力对复合材料液体模塑成型工艺（LCM）的成功实施至关重要。本文采用连续加载的方式,研究了玻璃纤维增强树脂基复合材料液体成型过程中多轴向无屈曲织物（NCF）和斜纹织物（WF）的压缩响应行为,并建立描述该行为的数学模型。采用自制测试装置对预成型体在重力等不同注射压力驱动下的厚度方向渗透率进行测试,考察了预成型体纤维体积分数、测试流体注射压力等对预成型体厚度方向渗透率K_z的影响。基于预成型体压缩响应数学模型和厚度方向渗透率与注射压力的关系,对Kozeny-Carman公式进行修正,提出了变注射压力条件下的厚度方向渗透率预测模型。结果表明:预成型体厚度方向渗透率随着纤维体积分数的增大而减小,与Kozeny-Carman方程结果相符合。当纤维体积分数为0.42≤V_f≤0.58时,注射压力对厚度方向渗透率影响较大,实验结果验证了本文提出的预测模型;当纤维体积分数V_f≥0.58时,注射压力对厚度方向渗透率影响较小,厚度方向渗透率趋于恒定。      

表面改性短切炭纤维增强聚四氟乙烯成型工艺的研究

根据聚四氟乙烯树脂的特性, 采用冷压成型和烧结固化相结合的方法,系统地研究了表面改性短切炭纤维增强聚四氟乙烯复合材料成型过程中,压制压力、压制时间、加压速率、升温速率、烧结时间和制品的冷却速率等工 艺条件对材料性能的影响。结果表明：该成型工艺可有效地克服其它成型工艺所制复合材料的各向异性, 是短切炭纤维增强聚四氟乙烯复合材料的一种好方法。     

纤维堆积体厚度方向浸渗特性

使用自行设计的夹具对纯树脂沿纤维织物厚度方向的毛细浸渗行为进行了初步研究。通过改变温度、纤维体积分数、纤维类型以及铺层方式,研究了树脂对纤维织物的毛细浸渗规律,并研究了纤维表面浸润剂的影响。结果表明:升高温度和减小纤维含量均有利于提高浸渗速率;而铺层方式的改变对浸渗规律的影响甚小。      

聚丙烯腈基预氧丝毡复合材料的力学性能研究

为了制备拉伸和弯曲性能良好的聚丙烯腈基预氧丝毡/环氧树脂复合材料,研究了聚丙烯腈基预氧丝毡含量和固化温度对复合材料拉伸和弯曲性能的影响,优化出力学性能最佳的聚丙烯腈基预氧丝毡/环氧树脂复合材料制备方法,并拍摄了复合材料拉伸断口的SEM图像.研究表明:当聚丙烯腈基预氧丝毡含量为15%时,其纵向和横向的拉伸断裂载荷达到最大值,分别为1 643.73和1 235.72 MPa;同时纵向和横向弯曲强度也达到最大值,分别为64.39和53.06 MPa;复合材料的SEM图像显示,纵向拉伸断口处有少量裸露纤维,其分布方向与针刺毡铺网方向一致.     

真空压力下树脂沿织物铺层厚度渗透速率

为了考察树脂膜熔渗(RFI)工艺过程中树脂在高温条件下沿织物铺层厚度方向的不饱和渗透特性, 应用自行设计的测试系统, 考察了液体沿织物铺层厚度方向流动前锋的影响因素, 测试并分析了液体沿玻璃纤维铺层厚度方向渗透速率的主要影响因素及其变化规律。结果表明, 液体沿纤维织物厚度方向流动为宏观上的一维流动。 真空压力增大、 树脂温度升高、 纤维体积分数减小, 均可使液体的渗透速率加快。另外, 对比发现, 70℃ E-51 环氧树脂沿玻璃纤维铺层厚度方向的渗透特性与室温下硅油的渗透特性基本相当。      

Developing rigid gliadin based biocomposites with high mechanical performance

We aim to produce unidirectional fiber composites with high mechanical performance based on flax fibers and a rigid gliadin matrix. As a fraction from wheat gluten, gliadin is soluble in alcohol containing media. The fabrication process did not involve any further solvents or plasticizers. Finally, samples were cooled at different rates. Overall, the cooling rate does not strongly affect the mechanical properties although slowly cooled materials contain a higher amount of non-disulfide cross-links, next to disulfide bonds within the gliadin matrix. At 40% fiber volume fraction, flax/gliadin composites with a flexural modulus and strength of respectively 21.5 GPa and 240 MPa were obtained when loaded in the longitudinal direction. These high values demonstrate that in this composite fabrication process, a good impregnation of the polymer matrix in between the fiber bundles has been achieved. However, the fiber–matrix adhesion, as measured by transverse flexural and tensile tests, was still relatively modest.     

苯酚电聚合膜修饰炭纤维表面对环氧基复合材料性能的影响

将连续炭纤维束用自制的空气梳分散成单丝状长带后, 通过采用循环伏安法的电化学方法将单体苯酚在炭纤维表面聚合成膜, 对炭纤维进行表面修饰, 以提高复合材料中炭纤维与树脂基体的界面粘结性能。红外光谱分析表明, 苯酚电聚合膜能够增加炭纤维表面的羟基、 醚键等活性官能团, 从而提高炭纤维与环氧树脂基体的界面粘结强度。与未进行表面修饰的炭纤维增强环氧树脂复合材料相比, 以聚苯酚膜修饰的炭纤维单丝带增强的环氧树脂基复合材料横向拉伸强度最大提高了90%, 纵向拉伸强度最大提高了45%, 层间剪切强度最大提高了110%。实验也表明, 将炭纤维束分散成炭纤维单丝带后能够更有效地增强复合材料的各项力学性能。      

预制体结构对针刺石英纤维/环氧树脂复合材料导热性能的影响

为了探索预制体结构对针刺石英纤维/环氧树脂复合材料导热性能的影响,采用逐层针刺技术和树脂传递模塑工艺制作了针刺石英纤维/环氧树脂复合材料。利用瞬态热线法测量了环氧树脂和不同预制体结构的针刺石英纤维/环氧树脂复合材料的导热性能。结果表明:随着纤维体积分数的提高,针刺石英纤维/环氧树脂复合材料的导热性能得到了提升。其中,用石英纤维短切毡增强环氧树脂的导热性能比环氧树脂提高了35.9%。当针刺石英纤维/环氧树脂复合材料中的无纬布纤维平行于热线时,采用石英纤维短切毡与石英纤维无纬布共同增强的2种针刺石英纤维/环氧树脂复合材料的导热性能分别比环氧树脂提高了45.5%和46.4%;而当无纬布纤维垂直于热线时,导热性能比环氧树脂分别提高了56.4%和61.8%。针刺石英纤维/环氧树脂复合材料的导热性能不仅受石英纤维体积分数影响,也受到预制体中无纬布纤维体积分数和取向的影响。      

三维编织碳复合材料的制备及其力学性能研究

采用真空辅助RTM工艺制备了三维编织碳纤维增强环氧树脂(C3D/EP)复合材料,通过对树脂的粘度特性和固化特性的分析,确定了最佳的工艺参数.金相显微镜对复合材料微观结构的观察表明树脂对纤维的浸润良好.同时,还研究了该工艺制备的C3D/EP复合材料的力学性能,结果表明随着纤维体积比的增加,复合材料的硬度、弯曲强度和冲击强度均提高,断口的扫描电镜观察表明复合材料的破坏方式是以脆性断裂为主.     

Organoclay effect on transverse compressive strength of glass/epoxy nanocomposites

This research focuses on the fabrication of glass fiber/epoxy nanocomposites containing organoclay as well as understanding the organoclay effect on the transverse compressive strength of nanocomposites. To demonstrate the organoclay effect, three different loadings of organoclay were dispersed, respectively, in the epoxy resin using a mechanical mixer followed by sonication. The corresponding glass/epoxy nanocomposites were produced by impregnating dry glass fiber with organoclay epoxy compound through a vacuum hand lay-up procedure. Unidirectional block specimens were employed for transverse compression tests on a hydraulic MTS machine. Experimental observations indicate that glass/epoxy nanocomposites containing organoclay exhibit higher transverse compressive strength than conventional composites. Furthermore, the failure mechanisms for all tested specimens were found to be fiber and matrix debonding. Therefore, results indicate that the increasing characteristic in transverse failure stress may be ascribed to the enhanced fiber/matrix adhesion modified by the organoclay.     

基于纤维束/环氧树脂复合材料试验的单向层合板横向拉伸强度预测方法

实验研究表明,纤维束/环氧树脂复合材料试件的横向拉伸强度与工程上常用的单向层合板横向拉伸强度在趋势上具有很好的相关性,但是数值上存在一定差距。本文使用两种碳纤维和两种环氧树脂制备了三种纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板,并分别测量了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度,以及环氧基体的拉伸强度。在实验基础上,应用Griffith断裂强度理论建立了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度的关系模型,通过两种复合材料实验的结果拟合了该模型中的参数。利用第三种复合材料实验进行校验,发现该模型预测的单向层合板横向拉伸强度与实测强度之间达到很好的一致性,相对偏差为9%。采用本文提出的方法,可以用较为简单的纤维束/环氧树脂复合材料和环氧基体拉伸试验预测单向层合板的横向拉伸强度。