水性上浆剂对碳纤维表面及碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能的影响

以4,4'-亚甲基双(异氰酸苯酯)(MDI)为扩链剂, 将Triton X-100(TX-100)引入到双酚A二缩水甘油醚(DGEBA) 中, 设计合成水性碳纤维上浆剂(DGEBA-MDI-TX-100), 并利用合成的水性上浆剂对碳纤维表面进行改性。在此基础上, 以环氧树脂为基体, 制备碳纤维/环氧树脂复合材料, 研究了水性上浆剂改性碳纤维对碳纤维表面性能及其复合材料界面性能的影响。结果表明:与未经处理的碳纤维相比, 经过上浆剂改性后的碳纤维润湿性能得到了较大的提高, 与环氧树脂的接触角下降了 9.1%;与环氧树脂复合后制备的复合材料的界面剪切强度提高了64.7%。      

低黏度易调配双酚A型树脂的合成与表征

以一种传统的双酚A型环氧树脂制备方法为基础,合成了一种低黏度的双酚A型酚醛环氧树脂。在合成双酚A型环氧树脂的实验过程中,n(BPA):n(ECH)=5∶1,醚化时间5h,闭环时间5h,得到的双酚A型环氧树脂色泽最浅,黏度较低适用于合成双酚A酚醛环氧树脂。实验中以原料环氧氯丙烷为分散介质无外加溶剂,制备了具有低粘度,易于调配的双酚A型酚醛环氧树脂,此种树脂性能优异,更适用于做复合材料特别是碳纤维预浸料生产的基体树脂。     

UHMWPE纤维/碳纤维复合材料用改性环氧树脂的制备及性能

用甲基丙烯酸改性环氧树脂E-51制备了UHMWPE纤维/碳纤维复合材料用基体树脂,主要研究了反应时间和催化剂用量对改性环氧树脂及复合材料性能的影响。结果表明,当甲基丙烯酸与环氧树脂摩尔比为1.1∶1.0、催化剂二乙基胺用量为0.35%（质量分数）、反应温度为110℃时,改性反应6h所得改性环氧树脂与UHMWPE纤维/碳纤维的复合材料的性能较好。用FTIR、DMA、SEM对改性环氧树脂及复合材料的结构和性能进行了表征,甲基丙烯酸改性环氧树脂对UHMWPE和碳纤维具有较好的粘接性。     

硅溶胶改性碳纤维对碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能影响

以硅烷偶联剂和正硅酸乙酯(TEOS)为前躯体, 以固体酸-对甲苯磺酸为催化剂制备硅溶胶, 利用硅溶胶对碳纤维进行表面改性后, 以环氧树脂为基体, 制备碳纤维增强环氧树脂复合材料。利用SEM、 TEM、 万能试验机、 偏光显微镜等对表面改性前后的碳纤维形态、 力学性能及碳纤维/环氧树脂复合材料的界面性能进行表征, 研究了硅溶胶改性碳纤维对其复合材料界面性能影响。结果表明, 硅溶胶处理碳纤维后, 在碳纤维表面原位生成具有膜-粒结构的表面层, 改性后碳纤维的强度由2.41 GPa提高到3.00 GPa, 界面性能也得到了明显改善, 界面剪切强度(IFSS)提高了51.41%。     

硅溶胶改性处理对碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸性能的影响

用溶胶-凝胶法制备硅溶胶对碳纤维进行表面改性,观测了环氧树脂液滴在单向排列碳纤维集束表面的铺展过程;以环氧树脂为基体制备单向排列的碳纤维/环氧树脂复合材料,研究了硅溶胶改性处理碳纤维对其拉伸性能的影响。结果表明:碳纤维经过硅溶胶改性处理后,Si—o—Si,-NH₂等极性官能团的引入改善了环氧树脂对其的浸润性能,从而改善了碳纤维与环氧树脂间的界面粘结性能,使碳纤维/环氧树脂复合材料的横向拉伸强度显著改善,但纵向拉伸强度影响不大;与未经过表面处理的复合材料相比,经过硅溶胶改性处理的碳纤维/环氧树脂复合材料其横向拉伸强度提高了62.74%;与用硝酸处理的碳纤维制备的复合材料相比,用硝酸处理后再用硅溶胶处理的碳纤维所制备的复合材料,其横向拉伸强度提高了35.27%。     

激光改性纤维对其增强环氧树脂复合材料力学性能的影响

利用激光对玻璃纤维、玄武岩纤维和碳纤维进行表面改性后,以环氧树脂为基体,分别制备三种纤维增强环氧树脂复合材料。利用SEM和万能试验机对表面改性前后的碳纤维形态、力学性能及三种纤维/环氧树脂复合材料的力学性能和断面形貌进行表征,研究了纤维激光表面改性对三种纤维及其增强环氧树脂复合材料力学性能的影响。结果表明:激光表面改性对碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能提升最高,其拉伸强度最大提高了77.06%,冲击强度最大提高了31.25%,玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的力学性能提升次之,而玻璃纤维/环氧树脂复合材料的力学性能有所下降。因此,激光进行表面改性适用于碳纤维和玄武岩纤维。     

化学接枝对碳纤维结构及性能的影响

为了提高碳纤维/环氧树脂复合材料界面粘结性能,利用化学接枝法对碳纤维表面进行改性,通过加入引发剂和分步反应等方法,改善了传统化学接枝法反应温度高、时间长的缺点。利用XPS、Raman、SEM、电子万能材料试验机研究了改性前后碳纤维的结构及其复合材料性能的变化。结果表明,碳纤维经过氧化、接枝反应,表面活性官能团的含量和粗糙度增加,复合材料的层间剪切强度增加。在相同条件下,接枝乙二胺、乙二醇的碳纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度分别提高了52.5%和47.9%,相比而言,乙二胺是较为理想的接枝单体。     

碳纤维/TiO2改性树脂复合材料的制备及力学性能

针对环氧树脂脆性大、与碳纤维形成的界面性能较差等问题,本文选用纳米TiO₂对5284环氧树脂进行改性,并以角联锁机织物为增强体制备了碳纤维/环氧树脂复合材料。使用FT-IR、旋转流变仪、表面张力仪等设备对TiO₂/环氧树脂进行表征,并研究了树脂改性对复合材料压缩与层间剪切性能的影响。研究表明:TiO₂的羟基与环氧树脂的环氧基和羟基发生了反应;经1wt.%TiO₂改性的树脂复数黏度为0.066 Pa·s,纤维与树脂间接触角为28.85°,浸润效果较好;相较于未改性复合材料,树脂改性的复合材料纵向压缩强度与模量分别提高了7.46%和11.03%,横向压缩强度与模量分别提高了6.99%和4.96%,纵向、横向的剪切强度分别提高了6.88%和4.65%。TiO₂改性环氧树脂提高了复合材料的承载能力,改善了界面结合强度。     

热塑性塑料对环氧树脂热膨胀系数的影响研究

环氧树脂基体的热膨胀系数(CTE)对碳纤维增强环氧树脂层状材料的性能影响巨大,如何降低环氧树脂基体的CTE是提高碳纤维增强环氧树脂复合材料低温使用性能的关键。本研究采用聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)和聚醚酰亚胺(PEI)3种热塑性塑料改性环氧树脂,研究了这3种热塑性塑料对环氧树脂基体CTE的影响。结果表明:这3种热塑性塑料分子链中的羰基在环氧树脂固化过程中可与环氧分子侧链上的羟基形成氢键作用,从而加强了热塑性塑料与环氧树脂的界面作用;采用这3种热塑性塑料改性环氧树脂均可提高环氧树脂基体的玻璃化转变温度;相对于纯环氧树脂,PBT、PEI和PC改性的环氧树脂在玻璃化转变温度下的CTE分别降低了14.99%、17.44%和23.96%,但在玻璃化转变温度上的CTE均高于纯环氧树脂。     

改性碳纤维/有机硅复合材料的制备及力学性能研究

碳纤维是制备高性能树脂基复合材料最有前途的增强材料之一。为提高碳纤维与复合材料的界面性能,使用乙烯基三叔丁基过氧硅烷(VTPS)对碳纤维表面进行改性,并通过扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱仪研究了改性方法对碳纤维表面结构的影响,考察了碳纤维添加量对复合材料力学性能的影响。结果表明,改性后的碳纤维表面引入了乙烯基、羟基和羧基等活性基团,同时保持了纤维的形貌。引入的乙烯基能够参与交联反应,促进硫化过程。此外,改性后的碳纤维能有效增强复合材料的力学性能,随着碳纤维添加量的提高,复合材料的力学性能得到显著增强。     

Degradable bio-based epoxy vitrimers based on imine chemistry and their application in recyclable carbon fiber composites

Traditional epoxy resin materials are widely used in coatings, composite materials, electronic packaging materials, etc. They are usually made of unsustainable fossil resources and cannot be recycled under mild conditions. Degradable thermosetting resins with dynamic covalent structure provide a potential solution to this conflict. In this paper, using biomass energy vanillin, m-xylylenediamine and 1, 6-hexanediamine as raw materials, two dynamic imine bond curing agents were synthesized, and then cured with DGEBA to prepare two bio-based imine epoxy vitrimers. The thermal and mechanical properties of two imine epoxy vitrimers were studied and compared in detail. Results showed that the two types of polymers exhibit excellent thermal stability and solvent resistance. At the same time, the tensile strength, modulus and elongation at break were comparable to or even better than those of conventional bisphenol A epoxy resin. In addition, due to the hydrolysis of the dynamic imine bonds, vitrimers had degradable characteristic, and its degradation also exhibited temperature, solvent and acidity dependence. More importantly, the recyclable carbon fiber reinforced polymer composites made of these two vitrimers could be completely degraded under weak acid conditions, and the nondestructive recycling of carbon fiber composites could be realized. We envision that this vitrimers with simple process, excellent comprehensive properties and degradability will make it a potential candidate for applications in sustainable structural materials.

     

碳纳米纤维纸-玻纤/环氧复合材料对风力发电叶片的影响

针对风力发电叶片在多风沙环境下的固体粒子冲蚀磨损行为, 研究了风力发电叶片专用环氧树脂(EPIKOTE^TM RIM 135、EPIKURE^TM RIM H 137)、传统玻纤增强环氧复合材料和新型碳纳米纤维纸-玻纤/环氧复合材料的固体粒子冲蚀磨损行为, 并测试了不同材料的玻璃化转变温度, 进而对比分析了其对冲蚀磨损的影响; 针对风力发电叶片在寒冷环境下表面容易结冰的现象, 研究了上述三种材料表面的疏水性能, 并测试了它们对水的接触角大小。结果表明: 碳纳米纤维纸-玻纤/环氧复合材料具有良好的界面结合, 且碳纳米纤维纸的引入提高了碳纳米纤维纸-玻纤/环氧复合材料的玻璃化转变温度(从55 ℃提高到63 ℃), 从而改善了其耐固体粒子冲蚀磨损性能; 同时, 碳纳米纤维纸的加入改善了碳纳米纤维纸-玻纤/环氧复合材料的表面疏水性能(接触角从104°提高到131°)。     

碳纤维表面处理及其对碳纤维/树脂界面影响的研究

碳纤维增强树脂/石墨复合材料是树脂/石墨双极板材料的一个主要研究内容,纤维与树脂间的界面结合是其中的关键问题.综述了碳纤维的氧化处理、偶联剂涂层处理和等离子体处理方法及各种处理方法对碳纤维/树脂界面的影响.对碳纤维的表面处理,可以提高碳纤维与树脂的界面粘接力,获得良好的界面层,达到对界面的优化处理.     

共注射RTM成型一体化复合材料的热传导分析

依据已制备的碳环氧/泡沫/碳酚醛一体化复合材料结构,通过合理简化,建立了一体化复合材料结构热传导有限元模型.计算了指定热载荷条件下一体化复合材料结构内部温度分布,讨论了防热层厚度、隔热层厚度、隔热层热导率对一体化复合材料温度分布的影响.选用气凝胶复合材料为夹芯材料,计算得到了满足指定热载荷条件的隔热层的最小厚度,为以气凝胶复合材料为夹芯材料一体化复合材料热设计提供了依据.     

雷电流组合波形下碳纤维/环氧树脂基复合材料层压板雷击损伤试验

为了评估碳纤维/环氧树脂基复合材料位于不同飞机雷击分区下的雷击损伤程度及损伤特征,采用A+B、D+B+C和A+B+C+D 3种不同的雷电流波形组合,对两类不同尺寸复合材料层压板试验件（Type1和Type2）进行了模拟雷电流冲击试验,通过目视损伤观察和超声损伤扫描,分析评估了复合材料位于飞机1A区、2A区及1B区时的雷击损伤程度及特征,同时还对含铜网防护碳纤维/环氧树脂基复合材料层压板在不同雷击分区下的雷击防护效果进行了评估。结果表明：不同雷击分区下,碳纤维/环氧树脂基复合材料在雷电流作用下的损伤模式基本一致,包括纤维断裂、基体烧蚀及分层损伤;对于相同类型试验件,1B区对应雷击损伤程度最严重,其次为2A区,1A区损伤程度最小;在相同雷击分区下,长宽比较小的Type1型试验件雷击损伤程度大于长宽比较大的Type2型试验件;0.25 mm厚铜网能够有效对碳纤维/环氧树脂基复合材料进行雷击防护,位于1A区、2A区及1B区的含防护与无防护Type2型试件,前者雷击损伤程度较后者分别下降88.9%、53.9%和68.7%。     

超高模量环氧树脂/碳纤维复合材料的研究进展

通过对碳纤维及环氧树脂进行改性处理,在降低树脂含量的同时提高其结合强度来改善碳纤维复合材料的力学性能。     

Manufacturing and mechanical properties of soy-based composites using pultrusion

Two primary cost driving factors for the composites industry are raw materials and labor. Inexpensive alternative epoxy resin systems based on epoxidized soyate resins are developed for fiber reinforced composite applications. This research investigated on the manufacturing and mechanical characterization of fiber/epoxy composites using chemically modified soy-based epoxy resins. Co-resin systems with up to 30 wt% soyate resins were used to manufacture composites through pultrusion. Mechanical tests show that the pultruded composites with soy based co-resin systems possess comparable or improved structural performance characteristics such as flexural strength, modulus, and impact resistance. Maximum mechanical properties enhancement is demonstrated by the enhanced epoxidized allyl soyate (EAS) formulation. Further property improvement is obtained through using a two-step prepolymer process. The EAS holds great potential as partial supplement for polymer and composites applications from renewable resources.     

A strategy for improving mechanical properties of a fiber reinforced epoxy composite using functionalized carbon nanotubes

Carbon fiber reinforced epoxy composite laminates are studied for improvements in quasi static strength and stiffness and tension-tension fatigue cycling at stress-ratio (R-ratio) = +0.1 through strategically incorporating amine functionalized single wall carbon nanotubes (a-SWCNTs) at the fiber/fabric-matrix interfaces over the laminate cross-section. In a comparison to composite laminate material without carbon nanotube reinforcements there are modest improvements in the mechanical properties of strength and stiffness; but, a potentially significant increase is demonstrated for the long-term fatigue life of these functionalized nanotube reinforced composite materials. These results are compared with previous research on the cyclic life of this carbon fiber epoxy composite laminate system reinforced similarly with side wall fluorine functionalized industrial grade carbon nanotubes. Optical and scanning electron microscopy and Raman spectrometry are used to confirm the effectiveness of this strategy for the improvements in strength, stiffness and fatigue life of composite laminate materials using functionalized carbon nanotubes.     

碳纤维增强羟基磷灰石/环氧树脂复合材料的制备与力学性能

采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备了碳纤维增强环氧树脂以及碳纤维增强羟基磷灰石(HA)/环氧树脂两种复合材料，并测试了其力学性能。结果表明，RTM工艺可以基本保证环氧基体均匀浸入碳纤维织物内部。碳纤维增强HA，环氧复合材料的冲击韧性高于碳纤维增强环氧复合材料，而弯曲强度和弯曲模量低于碳纤维增强环氧复合材料。两种复合材料的弯曲强度远高于人体皮质骨，弯曲模量与皮质骨非常接近。动态力学分析(DMA)表明加入HA后，复合材料的贮存模量和内耗降低，玻璃化转变温度升高。