基于COMSOL的碳纤维通氧腐蚀仿真分析

研究了高温通氧环境对碳纤维腐蚀的影响。通过联立Navier-Stoke (NS)方程和Partial differential equation (PDE)方程弱解形式来构建氧气流动扩散模型,引入气固反应建立基于通氧情况下的碳纤维复合材料中碳纤维的腐蚀模型,借助COMSOL软件多物理场耦合分析的优势对通氧环境下碳纤维消耗进行数值仿真模型的建立及分析并设计替代实验对碳物质高温通氧工况下的腐蚀情况进行验证。得到了碳纤维腐蚀的二维及三维模型,并提取出氧气的流场分布、以42%为截止时碳纤维体积的变化情况以及氧气浓度对反应速率的影响等相关数据结果。仿真结果表明,随时间增加,碳纤维体积逐渐缩小,腐蚀速度先增加然后逐渐趋于稳定,腐蚀程度逐渐加深,随通入氧气浓度增加,腐蚀速度逐渐增加,腐蚀时间与通氧浓度线性相关。较好地实现了对碳纤维复合材料中碳纤维消耗过程的分析研究,对后期碳纤维及碳纤维复合材料的腐蚀研究具有较强的适用性。     

碳纤维复合材料在现代汽车工业领域的应用

现代科学技术的飞速发展,多种新型材料被研发出来,碳纤维复合材料就是其中一种,其具有强度高、轻便性等特点,在各个领域都得到了广泛应用,这种材料整体的应用优势较为明显,具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数高、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等优点。碳纤维复合材料在应用期间,不但可以提高结构的荷载能力,还可以促进结构的功能发挥。目前,我国对碳纤复合维材料的应用加大了重视,并对其在各领域的应用进行了研究,取得了良好的成果。本文对碳纤维复合材料的特性和性能进行了分析,对碳纤维材料在现代汽车工业领域的应用进行了探讨。     

碳纤维风机极大地改善工业冷却塔风机的性能

通过对碳纤维风机和玻璃钢风机在某化工厂的实塔对比测试的数据进行整理和分析,碳纤维风机比同型号国际先进水平的玻璃钢风机的风量高13%。碳纤维风机在工业冷却塔中的应用使风机的性能有了飞跃,在出力、节能方面处于世界领先水平。     

碳纤维抽油杆在弯曲工况下的力学性能研究

针对碳纤维抽油杆在实际应用过程中反复弯曲产生的性能下降,通过拉伸、弯曲、表面剪切试验,研究了碳纤维抽油杆的基本力学性能。同时设计了两套不同工况的卷绕工装,对碳纤维抽油杆进行弯曲应变测试,得到了不同碳纤维抽油杆直径、不同卷绕直径工装的弯曲应变,并运用SOLID185单元和Debonding功能建立卷绕弯曲的有限元模型,通过origin软件将模拟数据与试验数据进行分析对比,为碳纤维抽油杆在不同蠕变周期下的弯曲应变研究提供了基础。     

高性能石墨纤维

1 碳纤维的分类碳纤维大致可分为通用型、高强型、高模型、高强高模型四大类。通用型碳纤维是指抗拉强度在 0.6－1.2GPa，抗拉模量 30－40GPa 左右，技术性能要求不高（相对于高性能碳纤维而言），但价格要求便宜，以便广泛用于民用产品；高性能碳纤维的抗拉强度一般在 3.0GPa以上，各牌号指标也不相同，但抗拉模量要求在 200GPa 以上，主要用于结构承力件。高模量型碳纤维则对抗拉模量要求较高，一般在 300GPa 以上，但对抗拉强度相对较低，主要用于要求形态稳定的部件；高强高模型碳纤维对抗拉强度和抗拉模量均要求很高，以适应特殊用…     

活性碳纤维的应用现状及建议

对活性碳纤维的国内外应用现状进行了分析,展望了活性碳纤维在国内的应用前景,并提出了我国活性碳纤维产业发展的建议。     

纳米碳纤维的批量制备和应用

纳米碳纤维具有优异的物理和化学特性,在复合材料、电子器件、储氢等领域极具应用价值,批量制备低成本的纳米碳纤维是应用的关键,介绍了纳米碳纤维批量制备的方法,并对纳米碳纤维的应用和市场前景进行了评述。     

碳纤维增强聚合物界面相的研究进展

碳纤维增强聚合物具有重量轻、强度高、模量高、耐高温等优良性能,在国防、航空航天和高端民用产品领域具有广泛的应用前景。本文主要综述了碳纤维增强树脂基复合材料的表面特性,包含碳纤维的表面形貌和粗糙度、碳纤维表面的化学成分等,叙述了碳纤维增强复合材料界面结合强度的表征方法,介绍了碳纤维的表面改性方法,包含氧化处理、等离子体处理及化学气相沉积法等。     

取向碳纤维/橡胶导热复合材料的研究进展

介绍不同方法制备取向碳纤维增强导热复合材料的特点和进展，并对取向碳纤维/橡胶导热复合材料的发展方向进行展望。目前制备高导热取向碳纤维增强复合材料的方法主要包括冰模板取向法、外场辅助取向法和剪切力取向法等。每种方法均具有自身的特点和优势，可以根据具体需求选择合适的方法来实现碳纤维的取向。调控碳纤维沿特定方向取向排列的橡胶复合材料能够充分利用碳纤维在轴向上的高导热特性，显著提高材料在取向方向上的热导率。这种具有高导热各向异性的碳纤维/橡胶复合材料在热界面材料领域有着广阔的应用前景。     

碳纤维连续抽油杆的研究与应用分析

碳纤维复合材料连续抽油杆具有密度低、强度高,能够降低悬点载荷、增加下泵深度以及耐腐蚀等优势,在油田得到越来越广泛的应用。通过对国内外碳纤维连续抽油杆的杆柱设计、行为预测、生产参数优化以及工况诊断等方面进行综合分析与研究,结果表明:目前碳纤维连续抽油杆的应用设计与分析,大多沿用钢制抽油杆的设计方法或在其基础上做出适当修正,没有专门的理论作为指导,直接影响到碳纤维连续抽油杆的应用效果。建议加强碳纤维连续抽油杆的理论研究,建立一套适用的理论与方法,为碳纤维连续抽油杆的高效应用提供指导。     

高模量碳纤维的现状及发展(3)

主要介绍了国内外聚丙烯腈基和沥青基高模量碳纤维的研究现状及发展趋势。⑴高模量碳纤维的发展方向:1980年代,两大高模量碳纤维都朝着高强高模方向发展,以满足飞机主承力结构件高强高模并重的需要,因而促使高模量碳纤维的性能从单一高模化向高强高模化方向迈进,如东丽公司的M50J和M60J的抗拉伸强度(σ)分别为4.12 GPa和3.92 GPa,抗拉伸模量(E)分别为475 GPa和588 GPa,与M50(σ:2.45 GPa,E:490 GPa)相比均大幅度提高;1990年代率先研制出XN-70(σ:3.3 GPa,E:690 GPa)和FT-700(σ:3.3 GPa,E:700 GPa)沥青基高强高模碳纤维产品不久,美国AMOCO公司也生产出Thorne K-1000(σ:3.1 GPa,E:956 GPa)商品,满足了工业界的需求。⑵原丝的品质是提升高强高模碳纤维性能的关键:人们特别关注聚合物单体、溶剂、环境等的净化,以及聚合纺丝工艺参数的选择和调整,目的是如何能生产出低灰份杂质,细直径,高碳收率,高取向度和结晶度,毛丝少,柔韧性好,均匀稳定的优质原纤维。优质原纤维是制备高强高模的物质基础。⑶热处理制备工序、设备选型及工艺参数的调控也是提高高强高模碳纤维性能不可或缺的条件:人们在热处理过程用DSC-TG(热分析仪)、EA(元素分析仪)、FE-SEM(场发射扫描电镜)、HRTEM(高分辨透射电镜)、XES(X-射线能谱仪)、XRD(X-射线衍射仪)、Raman(拉曼光谱)、NMR(核磁共振仪)、STM(原子力显微镜)和AAS(原子吸收光谱)等先进的测试分析方法以及万能材料试验机等,研究各工序的工艺参数对产品性能和结构的影响,并详细的用图表阐述之。前人研究的成果加速了世界高强高模碳纤维性能的提升。进而提出了提高我国高强高模碳纤维的关键技术(例如研制非硅系新油剂,加强各工序的净化度和设备加工精度,强化工艺参数调控精度和加强灵活可变性,分析测试的准确度和测试方法的统一性等)。同时简介了高模量碳纤维的应用领域和前景。     

PAN基高模量碳纤维成型过程中的结构性能关联性

以实验室自制T800级聚丙烯腈（PAN）基高强中模碳纤维为原料，经连续石墨化处理得到M50J级、M55J级高模量碳纤维，以X射线衍射（XRD）、Raman光谱为表征手段研究了高强碳纤维向高模量碳纤维转变过程中石墨微晶、取向、微孔含量、石墨化度等石墨特征结构的演变规律，并开展了PAN基碳纤维石墨特征结构与力学性能的关联性研究。研究结果表明：在高强碳纤维向高模量碳纤维转变过程中，随着石墨微晶层间距d ₀₀₂的下降以及石墨微晶堆砌厚度L _c的增加，碳纤维的拉伸模量逐渐提升；石墨微晶层间距和微晶取向是影响碳纤维拉伸强度的两个主要因素，石墨微晶层间距d ₀₀₂值增加、石墨微晶取向越高，纤维拉伸强度也越高；在高模量碳纤维的成型过程中，纤维内部微孔含量随着石墨化程度的提高而降低；经过高温石墨化处理后，碳纤维的拉伸强度会随着Raman光谱中无序结构D峰和石墨特征结构G峰积分强度比值I _D /I _G的下降而下降。     

高模量碳纤维的现状及发展(2)

主要介绍了国内外聚丙烯腈基和沥青基高模量碳纤维的研究现状及发展趋势。⑴高模量碳纤维的发展方向:1980年代,两大高模量碳纤维都朝着高强高模方向发展,以满足飞机主承力结构件高强高模并重的需要,因而促使高模量碳纤维的性能从单一高模化向高强高模化方向迈进,如东丽公司的M50J和M60J的抗拉伸强度(σ)分别为4.12 GPa和3.92 GPa,抗拉伸模量(E)分别为475 GPa和588 GPa,与M50(σ:2.45 GPa,E:490 GPa)相比均大幅度提高;1990年代率先研制出XN-70(σ:3.3 GPa,E:690 GPa)和FT-700(σ:3.3 GPa,E:700 GPa)沥青基高强高模碳纤维产品不久,美国AMOCO公司也生产出Thorne K-1000(σ:3.1 GPa,E:956 GPa)商品,满足了工业界的需求。⑵原丝的品质是提升高强高模碳纤维性能的关键:人们特别关注聚合物单体、溶剂、环境等的净化,以及聚合纺丝工艺参数的选择和调整,目的是如何能生产出低灰份杂质,细直径,高碳收率,高取向度和结晶度,毛丝少,柔韧性好,均匀稳定的优质原纤维。优质原纤维是制备高强高模的物质基础。⑶热处理制备工序、设备选型及工艺参数的调控也是提高高强高模碳纤维性能不可或缺的条件:人们在热处理过程用DSC-TG(热分析仪)、EA(元素分析仪)、FE-SEM(场发射扫描电镜)、HRTEM(高分辨透射电镜)、XES(X-射线能谱仪)、XRD(X-射线衍射仪)、Raman(拉曼光谱)、NMR(核磁共振仪)、STM(原子力显微镜)和AAS(原子吸收光谱)等先进的测试分析方法以及万能材料试验机等,研究各工序的工艺参数对产品性能和结构的影响,并详细的用图表阐述之。前人研究的成果加速了世界高强高模碳纤维性能的提升。进而提出了提高我国高强高模碳纤维的关键技术(例如研制非硅系新油剂,加强各工序的净化度和设备加工精度,强化工艺参数调控精度和加强灵活可变性,分析测试的准确度和测试方法的统一性等)。同时简介了高模量碳纤维的应用领域和前景。     

Carbon fiber etching in an oxygen plasma

When carbon fibers are plasma etched in an oxidizing atmosphere, characteristic patterns are produced which are readily apparent in the scanning electron microscope. These patterns correlate with the precursor fibers and with the carbon fiber moduli. In high modulus fiber cross sections, macrocrystalline structures are seen which are in accord with the current morphological models. High modulus PAN-based fibers also show flaws and major structural variations. Their frequency and location within the fiber macrostructure suggests that these fibers have internal stresses which could well be a limiting factor in the development of higher strengths, once the gross internal and surface flaws are controlled.     

新型碳纤维用原丝——高强高模Lyocell纤维纺丝工艺研究

采用天然高相对分子质量纤维素脱脂棉为原料 ,制备了高强高模纤维素纤维 ( L yocell纤维 ) ,并用此作为碳纤维原丝 ,成功制得了强度优于粘胶基碳纤维的 L yocell基碳纤维。考察了高相对分子质量纤维素的溶解特点 ,纺丝工艺对 L yocell纤维聚集态及性能的影响 ,比较了 L yocell纤维和粘胶原丝的表面及截面形态。实验表明 :高相对分子质量纤维素溶解的静溶胀时间和温度对其溶解有明显的影响 ;纺丝过程中 ,大的气隙长度对提高纤维的性能有利 ;随着凝固浴中 N -甲基吗啉 N -氧化物( NMMO )的浓度增加 ,纤维的强度和模量增加 ,当其在凝固浴中的质量分数达到 10 %时 ,强度模量最大 ,浓度继续增加 ,纤维的力学性能开始下降 ;拉伸比增加 ,L yocell纤维的强度模量增加 ,当拉伸比大于 3.0时 ,纤维的性能略有下降     

几种纤维在增强混凝土中的应用

介绍了聚丙烯纤维、碳纤维、钢纤维和玻璃纤雏增强混凝土的基本性能,其中聚丙烯纤维有较好的技术经济性能,已在混凝土工程中广泛应用;由于碳纤维等后3种纤维有高强、高模和韧性,可用于次结构甚至主结构的增强或加固用。同时简介了国内外研究情况以及一些实际应用案例,指出今后有待研究的问题和研究的重点及方向。     

PAN基碳纤维连续石墨化过程中的取向性

利用XRD研究了PAN基碳纤维在连续高温石墨化和热牵伸石墨化过程中纤维内石墨微晶沿纤维轴择优取向性的变化。结果表明：碳纤维中石墨微晶的择优取向性随石墨化温度的提高和热牵伸的增大而增加。两种工艺中纤维的拉伸模量均随微晶取向性的增加而增大,但在获得相同的模量下其取向参数却不同;碳纤维的拉伸模量不仅仅取决于石墨微晶的择优取向,而且与晶体的大小有关。另外,经过3000℃的高温处理后,纤维的择优取向参数Z仅为14.71°,说明纤维中乱层石墨的层面仍没有高度取向。     

The Effect of Abrasion Surface Treatment on the Bonding Behavior of Various Carbon Fiber-Reinforced Composites

Abstract

In this paper we show that current abrasion surface preparation practices do not perform equally on all composite surfaces. The effect of abrasion on the adhesive bond strength of various carbon fiber (CF) composites was investigated. Cyanate ester composites were fabricated using a low, a high and an ultra high modulus carbon fiber (T300, M55J, K13C2U). XPS and contact angle measurements showed that the surface energy of all three composites increased due to the removal of contaminants as well as increased in surface roughness. However, the lap shear strength degraded sharply for a number of cases, irrespective of roughness, depending on the fiber used. Composites utilizing lower modulus carbon fibers increased in adhesive bond strength following abrasion in comparison to composites with higher modulus fibers. As the modulus of the fiber and the abrasive grit size increased, the degree of degradation caused by abrasion was shown to increase significantly. Scanning electron microscopy (SEM) and profilometry measurements showed the development of an abrasion-affected zone that was especially prevalent for higher stiffness composites. The failures for the higher modulus specimens were caused by subsurface damage located a few fiber diameters below the abraded surface. However, an alternate technique using atmospheric plasma surface treatment exhibited efficient removal of contaminants while showing no degradation of bond quality when treating these ultra high modulus composites.     

Lyocell纤维原丝的性能对碳纤维强度的关联分析

运用灰色系统方法对新型纤维素原丝Lyocell纤维的性能与碳纤维强度之间的关系进行了关联分析，结果表明：Lyocell纤维的强度、纤度和断裂强力对碳纤维的强度有很大的影响，而对伸长和模量的影响较小。     

Hybrid effect on mechanical properties of M40‐T300 carbon fiber reinforced Bisphenol A Dicyanate ester composites

Interply and intraply hybrid composites based on Bisphenol A Dicyanate ester (BADCy), high strength carbon fibers T300, and high modulus carbon fibers M40 were prepared by monofilament dip‐winding and press molding technique. The tensile, flexural, interlaminar shear properties and SEM analysis of the hybrid composites with different fiber content and fiber arrangement were investigated. The results indicated that the mechanical properties of intraply hybrid composites were mainly determined by fiber volume contents. When the ratio of fiber volume content was close to 1:1, the intraply hybrid composites possessed lowest tensile and flexural strength. The mechanical properties of interply hybrid composite mainly depended on the fiber arrangement, instead of the fiber volume contents. The hybrid composites using T300 fiber layout as outside layer possessed high flexural strength and low flexural modulus, which was close to that of T300/BADCy composites. The hybrid composites ([(M40)_x/(T300)_y]_S) using M40 fiber layout as outside layer and T300 fibers in the mid‐plane had high flexural modulus and interlaminar shear strength. POLYM. COMPOS., 2010. © 2010 Society of Plastics Engineers