碳纤维表面改性提高其树脂基复合材料电磁屏蔽性能的研究进展

随着大数据、物联网和新能源汽车等新兴产业的快速发展,相关电子设备与元器件向高性能化、高集成化、轻量化、精密化等方向迈进。随之产生的电磁干扰会威胁人体健康、信息安全以及各种电子设备的正常工作,因此迫切需要高性能的电磁屏蔽材料。碳纤维具有优异的力学性能和良好的导电性,其树脂基复合材料更是兼具质量轻、比强度/模量高、耐疲劳性好、可设计性强以及良好的电磁屏蔽性能等优势。但与传统的金属材料相比,碳纤维复合材料的电磁屏蔽性能较低,为了进一步提高其电磁屏蔽性能,通常需要对碳纤维进行表面改性。本文介绍了碳纤维复合材料的电磁屏蔽机理,综述了不同的碳纤维表面改性方法以及对碳纤维增强树脂基复合材料的电磁屏蔽性能的影响,分析了各种碳纤维表面改性方法的优缺点,进一步对碳纤维增强树脂基电磁屏蔽复合材料的发展趋势进行了展望。     

石墨烯氧含量对炭纤维/石墨烯/环氧树脂复合材料力学和电磁屏蔽性能的影响（英文）

采用湿法制备预浸料成型炭纤维/石墨烯/环氧树脂复合材料,研究石墨烯片层的含氧量对炭纤维/石墨烯/环氧树脂复合材料力学性能与电磁性能的影响。结果表明,部分还原石墨烯可以同时提高复合材料的力学性能与电磁屏蔽性能,并且能保持复合材料的热性能。采用直接沉积和间接沉积对石墨烯进行界面沉积,以深入地研究还原石墨烯在复合材料界面处的增强机理。单丝断裂测试结果表明,直接沉积石墨烯使得界面剪切性能降低26.3%,而间接沉积石墨烯提升21.1%界面剪切性能,且石墨烯主要通过增韧机理进行界面增强。本研究制备的炭纤维/石墨烯/环氧树脂复合材料具有优异的综合性能和广阔的应用前景。     

YPH-23环氧树脂/预浸料的等温固化动力学研究

针对预浸料碳纤维树脂基复合材料成型的特点,采用差示扫描量热法(DSC)研究了碳纤维/YPH-23环氧树脂预浸料的DSC曲线,并与纯树脂的DSC曲线进行对比分析。研究结果表明:预浸料的DSC曲线与纯树脂存在差异;预浸料在130~160℃范围内的固化反应符合自催化固化反应模型,固化反应活化能为45.560kJ/mol;预浸料的动力学研究结果更能反映实际复合材料制造成型过程中的特征,可为实际复合材料的成型工艺优化提供参考。     

碳纳米管加入方式对碳纤维/环氧树脂复合材料层间性能的影响

针对碳纤维/环氧树脂预浸料,对比了直接在树脂中加入碳纳米管(CNTs)后制备预浸料以及将CNTs喷涂在预浸料表面2种CNTs加入方式对CNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料层合板I型与II型层间断裂韧性及层间剪切强度的影响。通过对树脂黏度、固化反应以及玻璃化转变温度的考察,分析了CNTs含量对树脂性能的影响,考察了添加方法对CNTs长度与形态的影响。分析了2种CNTs加入方式对CNTs-碳纤维/环氧树脂层合板断裂韧性及层间剪切强度的改善效果与作用规律。结果表明:CNTs的加入使树脂的黏度提高,固化反应程度下降;2种分散方法对CNTs的长度与形态无明显影响;直接在树脂中加入CNTs对CNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料I型与II型层间断裂韧性的提高效果低于在碳纤维/环氧树脂预浸料表面喷涂CNTs的方式,后者的CNTs利用率较高;由于CNTs团聚及对树脂固化反应的影响,CNTs含量过高会使得其对CNTs-碳纤维/环氧树脂层合板的增韧效果下降。     

风电叶片用国产碳纤维预浸料的制备及性能研究

本文制备了一种低压成型环氧树脂LTC80体系,对LTC80树脂的耐热性能、粘温特性等进行了研究;和国产碳纤维ZT6F复合制备风电叶片专用预浸料ZT6F/LTC80,对预浸料的物理性能、ZT6F/LTC80复合材料性能进行了研究。结果表明:LTC80树脂具有良好的工艺性能,适用于热熔法制备预浸料;ZT6F/LTC80预浸料适用于低压成型,ZT6F/LTC80复合材料性能优良,国产碳纤维预浸料满足风电叶片的使用要求并成功应用。     

连续炭纤维增强杂萘联苯聚醚砜酮共混树脂基复合材料力学性能

为了研究树脂共混改性对连续炭纤维增强高性能热塑性树脂基复合材料性能及破坏模式的影响,以二氮杂萘联苯结构聚醚砜酮(PPESK)及其共混树脂为基体,T700 炭纤维为增强纤维,通过溶液预浸,热压成型工艺制备单向复合材料。通过对共混树脂溶液黏度测试,复合材料样条三点弯曲、层间剪切和孔隙率试验,并借助SEM断面形貌分析,研究了聚醚酰亚胺(PEI)和聚醚砜(PES)的加入对PPESK复合材料力学性能以及受力破坏模式的影响。结果表明,PEI或PES的加入使复合材料的力学性能提高,孔隙率降低,复合材料受力破坏模式由脱粘破坏向树脂基体内部破坏转变。      

氧化石墨烯/炭纤维/环氧树脂基复合材料的制备及其层间剪切性能（英文）

利用预浸料技术热压工艺,制备了氧化石墨烯改性的炭纤维环氧树脂基复合材料。为获得更好的分散效果及加工性能,选用四氢呋喃作为溶剂来分散氧化石墨烯。结果显示:含有氧化石墨烯的混合胶液体系可稳定3 h左右,满足预浸料制备工艺要求;制得的复合材料单向层板层间剪切强度(ILSS)有较大提高,当氧化石墨烯含量为0.10%时,其达到96.14 MPa,与空白样板相比提高了约8.05%,玻璃化转变温度升高近5℃。断面形貌分析表明,上述显著提高可能是由于氧化石墨烯的加入使得环氧树脂增韧以及炭纤维复合材料的界面得到较大的改善所致。     

炭黑/碳纤维/ABS电磁屏蔽复合材料的制备及其性能研究

采用硅烷偶联剂KH550改性炭黑(CB),浓硝酸氧化碳纤维(CF),将表面处理前后的炭黑和碳纤维与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)树脂通过混炼挤出制备了电磁屏蔽复合材料,考察了炭黑、碳纤维含量及表面处理对复合材料体积电阻率和屏蔽效能的影响。实验结果表明,采用KH550改性炭黑可以达到改性目的,浓硝酸氧化碳纤维后,其表面接上了羰基和羧基。随着炭黑含量增加,复合材料的体积电阻率逐渐下降,且变化规律符合"渗滤效应",在100～1800MHz频率范围内,屏蔽效能逐渐增加,采用1%KH550改性炭黑后,导电性能和屏蔽效能均得到提高。加入碳纤维后,复合材料的导电性能和屏蔽效能均有较大提高,且含量为2%时,分别达到最大值,采用浓硝酸氧化碳纤维后,导电性能得到进一步提高,屏蔽效能提高了1dB左右。     

Al颗粒夹层CFRP复合材料力学及电磁屏蔽性能EI北大核心

CFRP复合材料具有优异的力学性能,在航空航天装备中有广泛应用,但是因其单层铺层内部的结构各向异性,单向纤维铺层对于垂直极化波的电磁屏蔽效能较弱。为应对日益复杂的电磁环境,保护电子元器件不受干扰,增强复合材料的电磁屏蔽效能显得尤为重要,本工作利用非连续Al颗粒在层间面内紧密排列,构建了一种层间面内含连续Al屏蔽层的CFRP复合材料,并研究了不同Al颗粒含量对复合材料电磁屏蔽效能和力学性能的影响规律。结果表明,随着Al颗粒含量的增加,CFRP复合材料的导电性和电磁屏蔽效能也随之增加,当聚合物中Al颗粒质量分数达到33.3%时,复合材料的面内电导率提高了3个数量级,在垂直于纤维方向上对频率为3~17 GHz的电磁波的电磁屏蔽效能提高了10 dB以上。随着Al颗粒含量的增加,复合材料层间剪切强度与弯曲强度出现先上升后下降的变化规律,当树脂中Al质量分数为33.3%时,复合材料的层间剪切性能提高了5.2%达到80.5 MPa,当树脂中Al质量分数为50%时,复合材料的弯曲强度提高了20%至1441.0 MPa,弯曲模量提高了10.2%达到101.83 GPa。由此可见,Al颗粒夹层CFRP复合材料可以实现力学性能和电磁屏蔽效能的同步提升,是一种具有广泛应用前景的结构-电磁屏蔽一体化复合材料。     

碳纤维增强双马来酰亚胺树脂预浸料铺覆黏性及其储存老化行为

将碳纤维增强双马来酰亚胺树脂预浸料CCM40J/HT-280分别置于4种储存环境（真空、N₂、O₂、空气）进行室温老化实验,研究了预浸料铺覆黏性与储存环境和老化时间的关系,对不同环境下黏性失效前后的样品进行了DSC、流变、红外光谱分析。针对不同黏性级别的预浸料,采用热压罐成型工艺制备了复合材料层合板,对层合板内部成型质量及复合材料力学性能进行了研究。结果表明,真空和N₂环境储存下的CCM40J/HT-280预浸料黏性失效周期相比于O₂与空气中的样品延长约40%。DSC和流变测试结果表明,老化后树脂的交联程度大于新鲜树脂,树脂最低黏度也显著增大,O₂环境下的样品表现的更为明显;对红外光谱特征峰分析表明,O₂环境储存条件下树脂交联反应程度高于真空环境,说明O₂对双马来酰亚胺树脂室温下的老化具有促进作用。黏性失效的预浸料制备的CCM40J/HT-280复合材料内部多为层间或层内的密集孔隙,其弯曲强度下降约13.0%、弯曲模量下降约6.5%,层间剪切强度下降约10.7%。      

自动铺放工艺制备罐外固化复合材料的力学行为

针对碳纤维增强树脂基复合材料IM7/CYCOM5230-1罐外固化预浸料,研究了自动铺放（AFP）罐外固化（OOA）预浸料的制备过程并优化了铺放工艺参数,采用热分析手段研究了CYCOM5230-1树脂固化动力学及黏度特性,在此基础上开发了一种短时固化工艺,并评价了基于此工艺制备的OOA复合材料力学性能。结果表明,AFP铺放过程中预浸料间缝隙会影响OOA复合材料的成型质量,采用铺放压力为180 N、加热温度为50℃、铺放速率为0.20 m/s的铺放参数,可获得表面平整、成型质量优异的复合材料样件。热分析结果表明,罐外固化CYCOM5230-1树脂室温黏度大,满足OOA工艺中真空压实排气需求。短时固化工艺可达到与典型固化工艺相同水平固化度,提升了固化效率,且制备的复合材料可以达到59%的纤维体积分数及低于0.5%的孔隙率,其力学性能与典型固化工艺制备的复合材料相当,并且能够达到热压罐复合材料的水平。     

纤维复合材料层合板内埋光纤光栅传感器的保护技术

内埋的光纤Bragg光栅（FBG）传感器的存活率及测试精度是其在线监测纤维增强树脂基复合材料制备和服役状态的重要前提。采用[90₁₁/0₁₁]的碳纤维预浸料铺层方式,在层合板0°和45°方向的典型位置埋入FBG温度和应变传感器,采用模压成型工艺制备复合材料层合板。在异向铺排（光纤光栅方向与碳纤维方向不同）的45°方向光纤光栅传感器内埋于碳纤维预浸料层间的过程中,对其采用4种不同的保护方式。通过对比实验结果发现:当对异向铺排的FBG传感器不采取保护措施时,在加热加压复合材料时光纤光栅容易失活;整层铺设同向预浸料以保护异向铺排的FBG传感器的方式改变了具有特定铺层参数复合材料的力学性能;采用窄长条同向预浸料上下包埋保护FBG传感器的方式增大了应变光栅测量结果的系统误差;采用窄长条同向预浸料上下包埋并在邻近铺层开凹槽的保护方式能明显提高内埋光纤光栅的存活率及测试精度。      

超薄预浸料对碳纤维/环氧树脂复合材料导电性能的影响

为了协同提高碳纤维/环氧树脂（CF/EP）复合材料的电性能和力学性能,采用碳纤维丝束展宽、浸润一体化的工艺方法,将12K CF展宽预浸制备成厚度分别为0.02 mm、0.03 mm、0.08 mm、0.10 mm的CF/EP预浸料及其单向层合板,分析测试了微观结构尺度对CF/EP复合材料层合板电阻率、电阻率随温度及在拉伸载荷作用下响应的影响机制。结果表明,随着CF/EP预浸料厚度从0.10 mm减小到0.02 mm,CF/EP复合材料单向层合板中大尺度树脂富集区所占比例明显减小,厚度方向的电阻率从151.3 Ω·cm减小到32.1 Ω·cm,导电性能提高了约5倍;随着温度升高,CF/EP复合材料层合板电阻率逐步下降,厚预浸料层合板沿厚度方向电阻率的下降速率高于薄预浸料层合板;在载荷作用下由CF/EP薄预浸料制成的CF/EP复合材料层合板的电阻率具有较高的稳定性,表明预浸料薄层化有助于提高CF/EP复合材料抵抗载荷作用的能力,从而获得较高的力学性能和电性能。实验结果为CF/EP复合材料结构-功能一体化设计提供了基础。      

炭纤维复合材料共固化液体成型工艺及层间性能研究

采用共固化液体成型工艺制备了炭纤维/环氧树脂基复合材料层板,分析了层板的密实和两种树脂的相互扩散情况,采用Ⅰ型层间断裂韧性(能量释放率GⅠC)和短梁抗剪强度研究了共固化液体成型层板的层间性能,并与预浸料成型层板和液体成型层板进行了比较。进一步研究了共固化层板中预浸料/液体成型层界面处的纤维取向对GⅠC的影响。结果表明:所制备的共固化液体成型层板,层内密实程度高、层间富树脂区不明显,预浸料/液体成型层的层间处两种树脂有一定程度的相互扩散;受界面处树脂相互扩散的影响,共固化层板的层间断裂韧性处于预浸料层板、液体成型层板的平均水平,而层板的短梁抗剪强度由性能较低的一方决定;预浸料/液体成型层界面处的纤维取向对GⅠC有明显影响,其中[45/90]的情况有着较高的抵抗开裂和裂纹扩展的能力。     

零吸胶炭纤维增强高温固化环氧复合材料预浸料研制

针对大尺寸、大厚度复合材料构件对“零吸胶”预浸料的需求,对低树脂含量炭纤维增强高温固化环氧复合材料预浸料进行了研制,并对预浸料的外观和物理性能、复合材料基本力学性能及成型工艺性能进行了研究.通过对预浸料制造工艺参数的优化,研制出了低树脂含量炭纤维增强高温固化环氧复合材料预浸料,其外观和物理性能满足要求;采用低树脂含量预...     

碳纤维增强热塑性复合材料的制备与性能研究进展

碳纤维增强热塑性复合材料(CRTP)因其具有众多优点而在航空航天、轨道交通、国防军工和风力发电等领域受到广泛的关注。本文总结了近年来国内外关于CRTP制备技术的研究进展，主要从预浸料制备工艺、碳纤维(CF)表面改性技术及CRTP成型工艺3个方面进行阐述，并详细介绍了不同预浸料制备工艺、CF表面改性技术和CRTP成型工艺的优缺点及对所制备CRTP性能的影响；最后对预浸料制备工艺、CF表面改性技术和CRTP成型工艺的发展方向进行了展望。     

热膨胀工艺硅橡胶芯模对复合材料圆管成型的影响

在建立硅橡胶芯模尺寸及工艺间隙设计公式的基础上,采用硅橡胶热膨胀工艺制备了碳纤维/双马树脂复合材料圆管,考察了不同厚度硅橡胶芯模对成型过程温度分布及预浸料铺层内部树脂压力的影响,并分析了圆管的成型质量。结果表明：硅橡胶芯模的厚度对温度分布影响较大,厚度为5mm时,温度分布比较均匀;铺层内的树脂压力能够达到设计压力,但不...     

耐高温碳纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料制备及性能

采用前原位聚合的热塑性聚酰亚胺(PI)改性4,4′-二氨基二苯甲烷双马来酰亚胺(BDM)/4,4′-邻二烯丙基双酚A(DABPA)树脂体系,制备了一种耐高温的改性双马来酰亚胺(BDPI)树脂,研究了BDPI树脂的微观形貌和耐热性能;通过前原位自增强技术制备了T800H碳纤维/BDPI预浸料,通过SEM研究了T800H/BDPI预浸料表面形貌,评价了T800H/BDPI复合材料高低温力学性能和断面微观形貌。结果表明:BDPI树脂满足预浸料加工工艺要求,BDM微米颗粒均匀铺覆于T800H/BDPI预浸料表面,粒径分布为30~70 μm,BDPI树脂固化物的玻璃化转变温度(T_g)为367℃,5%热失重温度(T_d5)为452℃;T800H/BDPI单向复合材料0°拉伸强度、0°拉伸模量和层间剪切强度分别为2 440 MPa、148 GPa和107 MPa,280℃其力学性能保持率分别为66.4%、87.2%和44.1%。      

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。      

3D编织碳纤维复合材料的制备及其屏蔽性能的研究

用三维五向3D编织技术和模压成型工艺制备了碳纤维增强环氧树脂基电磁屏蔽复合材料,测试结果表明,三维五向编织结构可形成良好的导电网络,基于该结构制成的碳纤维复合材料屏蔽效能最高可达85dB,编织体整体化学镀镍可使材料的屏蔽效能提高约15dB,镀镍后的复合材料在14kHz～18GHz频段内具有较高的屏蔽效能,最高可达95dB。同时发现,该材料的屏蔽性能显示各向异性,这与编织体的纤维取向和电磁波的极化方向有关。