湿热和电热作用对复合材料力学性能的影响

对民用航空器结构用碳纤维树脂基复合材料(CFRP)进行吸湿性能研究,测试其吸湿率随时间的变化规律,同时监测吸湿过程中试样电阻率的变化规律,对饱和吸湿试样再进行通电处理,获取脱湿率与通电电流的关系,之后对未处理、吸湿及吸湿/通电处理试样进行弯曲性能测试,通过观察弯曲断口处裂纹走向及断口形貌,分析湿热、湿热/电热作用对CFRP弯曲性能的影响。结果表明,试样吸湿率随吸湿时间延长呈先上升后趋于稳定的趋势,其电阻率呈先下降后稳定的变化规律,饱和吸湿试样经通电处理后,脱湿率随电流增加而增大,但试样湿含量不能降低为0。吸湿后小电流2~4 A(ρ=33.4~66.8 m A/mm~2)处理,试样弯曲性能较单纯吸湿试样有所提升,弯曲断裂后试样并未分离成两部分,吸湿后大电流5~6 A(ρ=83.6~100.2 m A/mm~2)处理,造成试样弯曲强度下降,弯曲断裂表现为脆性断裂。     

湿热和电热作用对复合材料力学性能的影响EI北大核心CSCD

对民用航空器结构用碳纤维树脂基复合材料(CFRP)进行吸湿性能研究,测试其吸湿率随时间的变化规律,同时监测吸湿过程中试样电阻率的变化规律,对饱和吸湿试样再进行通电处理,获取脱湿率与通电电流的关系,之后对未处理、吸湿及吸湿/通电处理试样进行弯曲性能测试,通过观察弯曲断口处裂纹走向及断口形貌,分析湿热、湿热/电热作用对CFRP弯曲性能的影响。结果表明,试样吸湿率随吸湿时间延长呈先上升后趋于稳定的趋势,其电阻率呈先下降后稳定的变化规律,饱和吸湿试样经通电处理后,脱湿率随电流增加而增大,但试样湿含量不能降低为0。吸湿后小电流2~4 A(ρ=33.4~66.8 m A/mm^2)处理,试样弯曲性能较单纯吸湿试样有所提升,弯曲断裂后试样并未分离成两部分,吸湿后大电流5~6 A(ρ=83.6~100.2 m A/mm^2)处理,造成试样弯曲强度下降,弯曲断裂表现为脆性断裂。     

基于介电性能研究碳纤维/环氧复合材料单向板电热作用机制

采用复合材料电热试验机对碳纤维/环氧复合材料(CF/EP)单向板进行0.05~0.2A·mm~(-2)直流电流通电处理,每次通电1.5h,同时对其电热作用下的表面温度场进行测量;分析电热作用后CF/EP试样的纵向体积电阻和介电性能变化;通过三点弯曲测试表征电热作用前后的弯曲性能。结果表明:试样的温度场随通电时间均呈现先迅速上升后稳态平衡的趋势。低于0.125A·mm~(-2)的电热作用使温度场分布均匀,纵向体积电阻降低以及介电性能提升;高于0.125A·mm~(-2)的电热作用使中间区域温度场高于两边区域,纵向体积电阻上升以及介电性能下降。介电常数和损耗角正切随测试频率增大而降低,交流电导率随频率增大先稳定后上升。受电热作用影响最大的损耗角正切可作为特征参量。弯曲性能测试表明,低于0.125A·mm~(-2)的电热作用使CF/EP试样的弯曲强度和弯曲模量最大提升11.8%和7.32%,而高于0.125A·mm~(-2)的电热作用使试样的弯曲强度和弯曲模量最大降低8.26%和6.52%。     

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。      

高温处理温度对中密度C/C复合材料性能的影响

研究了中密度(1.45～1.55g/cm3)针刺C/C复合材料分别经过1800℃、2000℃、2200℃高温处理后的热学和力学性能变化.随着处理温度的升高,材料的径向压缩强度逐渐降低,1800℃处理后材料的轴向压缩强度高于未处理试样.室温拉伸强度随处理温度的升高而增大,高温拉伸强度则随处理温度的升高而降低,未处理试样高温拉伸强度达到94.7MPa,2200℃处理后只有65.6MPa,但仍高于室温拉伸强度(50MPa左右).不同温度处理后材料的高温轴向弯曲最大载荷应变和模量趋于一致,而室温测试结果随着处理温度的升高而降低.轴向拉伸模量和延伸率随温度变化的规律性则不强.材料的轴向热膨胀系数随处理温度的升高而降低,但变化幅度不大,室温至1000℃线胀系数为(1.5～2.0)×10-6/℃.未处理试样和1800℃处理试样的径向导热系数相当,1000℃时约为11W/(m·K),2000℃和2200℃处理试样的导热系数相当,1000℃时约为15W/(m·K).与1800℃处理后薄壁构件的变形性相比,2200℃处理构件变形大,出现不等量变形现象.     

自燃法制备Na掺杂Ca_3Co_4O_9及其热电性能的研究

采用简单的自燃法, 以去离子水为溶剂, 柠檬酸为螯合剂, 硝酸盐为原料制备了金属钠掺杂的(Na_xCa_(1-x))_3Co_4O_9热电材料前驱粉.前驱粉经煅烧、球磨、冷压、烧结等工艺获得块体材料.通过X射线衍射, 扫描电镜观察等方法对样品的结构与形貌进行了分析表征.在573～1073K温度区间内, 测试了材料的电阻率和Seebeck系数.研究表明,试样(x=0.15)在973K时的电阻率可达ρ=5.899mΩ·cm,Seebeck系数S=185μV/K,热电转换功率因子值p=5.802×10~(-6)W/(m·K2).     

碳纤维复合材料在超临界正丁醇中降解的反应动力学

采用超临界正丁醇在KOH作用下从碳纤维/环氧树脂（CF/EP）复合材料中回收高性能CF。分析了反应温度和反应时间对CF/EP复合材料中EP降解率的影响,研究了回收CF增强聚丙烯（PP）复合材料的力学性能;分析了降解液相产物组分,研究了EP固化体系在超临界正丁醇中的催化降解历程,建立了降解动力学模型,通过解算动力学参数建立了催化降解动力学方程。结果表明:反应温度和反应时间与EP的降解率呈明显的正相关性;与原CF增强PP复合材料相比,回收CF增强PP复合材料的拉伸强度下降9.2%,弯曲强度下降20.9%,弯曲模量下降10.9%,冲击强度下降7.4%;CF/EP复合材料降解反应主要为EP固化体系分子链段中C—C、—O— 等线性链段的断裂以及交联部位C—N的断裂;CF/EP复合材料催化降解的反应级数为2,反应活化能为165.2 kJ·mol-1,指前因子为3.62×1013 min-1,建立的动力学方程可解决反应温度和反应时间不可预估的问题。      

湿热环境对碳纤维环氧树脂复合材料弯曲性能的影响EI北大核心CSCD

采用不同温度下的三点弯曲测试方法,研究了湿热环境对机织碳纤维环氧复合材料吸湿前后弯曲性能的影响,分析了复合材料的吸湿量、断口形貌、动态力学性能及其加载曲线。结果表明:机织碳纤维环氧复合材料吸湿率较低,其饱和吸湿率仅为0.88%左右。湿热对复合材料弯曲强度的影响要大于对弯曲模量的影响。干态试样的断裂形式都为脆性断裂,湿态试样只有在高温下未发生断裂。吸湿后复合材料的玻璃化转变温度(DMA T_g)为125℃,比干态时下降了16℃。在弯曲变形的前期,载荷和位移曲线都成线性变化,干态试样在载荷达到峰值之前会出现小的波动。湿态试样的后期会有明显的弯折或塑变,而且随着温度的升高这种现象越明显。     

洋麻纤维-棉纤维混纺织物/环氧树脂复合材料力学及吸湿性能

采用碱氧一浴法对洋麻纤维(KF)进行精细化处理,并制备了不同混纺质量比的精细化处理KF-棉纤维(KF-CF)混纺织物及KF-CF/环氧树脂(EP)复合材料。通过纤维强度、细度测试和FTIR、TG、SEM研究了精细化处理对KF性能的影响,通过对KF-CF/EP复合材料力学性能分析得到最佳混纺质量比,探究了最佳混纺质量比KF-CF/EP复合材料在湿热及化学环境下的吸湿性能。结果表明:精细化处理后的KF直径降低了30.66%,拉伸模量提高了31.24%,柔软度提高了13.20%,热稳定性得到提高;当KF与CF混纺质量比为40∶60时,KF-CF/EP复合材料力学性能最优,拉伸强度为101.90 MPa,弯曲强度为189.64 MPa;在湿热环境下,时间越长,温度越高,KF-CF/EP复合材料的吸水率越高,碱性环境会导致KF-CF/EP复合材料吸水率提高。      

Cu-CF/EP复合材料导电与阻尼性能研究

研究不同长径比的碳纤维(CF)对环氧树脂阻尼性能的影响,从结构设计上对CF镀铜处理,采用SEM对镀铜CF(Cu-CF)进行验证,并研究Cu-CF/EP复合材料的力学、导电以及阻尼性能。结果表明:CF表面镀铜均匀;加入较少量大长径比CF能很好地提高复合材料的冲击强度,但是弯曲强度却明显降低,而加入较多的小长径比CF对材料的力学性能有所增强。此外CF-P3200能很好地提高复合材料的导电性能和阻尼性能。     

碳纤维-Ni/尼龙66复合材料的制备与性能表征

为制备低电阻率的尼龙66基复合材料,以碳纤维和镍粉(Ni)填充尼龙66制备碳纤维-Ni/尼龙66高导电复合材料。研究填料表面改性和含量对碳纤维-Ni/尼龙66复合材料导电性能和力学性能的影响。结果表明:KH550改性碳纤维和Ni有助于降低碳纤维-Ni/尼龙66复合材料的电阻率。碳纤维-Ni/尼龙66复合材料的电阻率随着碳纤维和Ni含量的增加而减小,且碳纤维和Ni填充尼龙66的导电逾渗阈值均为20wt%,此时制备的碳纤维-Ni/尼龙66复合材料的电阻率为455Ω·cm,熔融温度为202.2℃。碳纤维-Ni/尼龙66复合材料的弯曲强度和拉伸强度随着碳纤维或Ni含量的增加而先增大后减小。当Ni含量为20wt%时,碳纤维-Ni/尼龙66复合材料的弯曲强度和拉伸强度在碳纤维含量分别为20wt%和10wt%时达到最大值,分别为98MPa和70 MPa;当碳纤维含量为20wt%时,碳纤维-Ni/尼龙66复合材料的弯曲强度和拉伸强度则在Ni含量为30wt%和20wt%时达到最大值,分别为120 MPa和67 MPa。     

MWCNTs对环氧树脂及多尺度MWCNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响

通过对胺基化多壁碳纳米管（MWCNTs-NH₂）进行改性,得到改性MWCNTs悬浮液（MWCNTs-NH₂（M））。分别将羧基化MWCNTs （MWCNTs-COOH）和MWCNTs-NH₂（M）分散在环氧树脂（EP）中,采用热熔法制备了多尺度MWCNTs-碳纤维（CF）/EP复合材料。研究了MWCNTs对EP模量、韧性及EP与CF之间界面黏结强度的影响,并分析了MWCNTs与CF上浆剂的作用,评价了多尺度MWCNTs-CF/EP复合材料的力学性能。结果表明：官能团化的MWCNTs可对EP的模量和韧性起到更好的增强作用。MWCNTs接枝的-COOH或-NH₂可与CF上浆剂中的环氧基团发生化学反应,提高EP与CF之间的界面剪切强度。MWCNTs-NH₂（M）对多尺度MWCNTs-CF/EP复合材料力学性能的增强效果优于MWCNTs-COOH,当MWCNTs-NH₂（M）的含量为1wt%时,多尺度复合材料的0°压缩强度、90°压缩强度、弯曲强度、弯曲模量、冲击后压缩强度（CAI）分别提高了16.7%、16.3%、40.9%、30.3%、20.6%。     

全湿热场下碳纤维/环氧树脂复合材料弯曲性能及寿命预测

以碳纤维/环氧树脂（T700/TR1219B）复合材料为研究对象,采用湿度场和温度场单一及耦合的方式,研究了不同湿热环境下其弯曲性能的变化,通过断口形貌和表面粗糙度表征,分析其湿热损伤机制。结果表明:T700/TR1219B复合材料的弯曲性能受湿度场和温度场影响明显,当吸湿率达到2%时,弯曲强度从干态的1 440.60 MPa下降到1 081.07 MPa;随温度的升高弯曲性能呈下降趋势,且在玻璃化转变温度T_g所在温度区间发生陡降,当环境温度为180℃时,弯曲模量和弯曲强度分别下降了71.18%和93.32%;高温高湿环境下弯曲性能陡降的温度区间前移,且性能衰减并非单一湿度场和温度场下衰减量的简单叠加。通过微观形貌分析发现,湿度场主要导致树脂水解脱黏,温度场下树脂形态破坏严重,而湿热耦合场对纤维与树脂均产生较大程度的损伤。考虑湿度场和温度及湿热耦合相关项,建立并验证了全湿热场下剩余弯曲强度模型,结合湿热老化时间、环境当量等参数提出T700/TR1219B复合材料的寿命预测模型。      

CIP/GF/CF/EP吸波复合材料的制备及力学性能

为制备兼具力学性能和电磁吸收性能的结构型吸波材料,采用真空辅助成型工艺设计制备一种以羰基铁粉(CIP)为吸收剂,玻璃纤维(GF)为透波层,碳纤维(CF)为反射层,环氧树脂(EP)为基体的吸波复合材料。研究了不同质量比CIP/EP对吸波复合材料力学性能和微波吸收性能的影响。通过FTIR和DSC分析可知CIP未与EP发生化学反应。SEM结果表明CIP能够在EP树脂基体中均匀分散,不趋向于纤维表面。力学测试分析结果显示:当CIP/EP质量比达到30%时,CIP/GF/CF/EP复合材料的力学性能最佳,拉伸强度为347.56MPa,拉伸模量为25.99GPa,较纯GF/CF/EP复合材料提升了4.3%和5.7%;弯曲强度为339.6MPa,弯曲模量为23.7GPa,较纯GF/CF/EP复合材料提升了18.2%和71.2%。矢量网络分析可知复合吸波板的吸波性能随CIP含量的增加而增加,且吸波损耗反射峰值朝低频段移动。     

碳纤维缠绕复合材料NOL环的吸湿过程与性能关系

以碳纤维缠绕复合材料NOL环为研究对象,建立了一种研究碳纤维缠绕复合材料的壳体或压力容器在存贮和使用过程中湿热性能的加速老化方法。将复合材料NOL环分别浸泡在35℃、55℃、65℃和75℃蒸馏水中,研究其吸湿特性、动态力学性能以及静态力学性能的变化。结果表明,根据NOL环的吸湿特性,其吸湿过程可分为3个阶段：固有自由体积控制扩散吸湿阶段;分子链松弛控制吸湿阶段;界面破坏及裂纹扩展控制吸湿阶段。当湿含量达到1wt%左右时,复合材料进入界面破坏吸湿阶段,性能明显下降,剪切强度和弯曲强度保留率约为75%和67%,Tg下降了20℃。该结果可为碳纤维缠绕复合材料壳体或压力容器的存贮寿命的预测与评价提供重要依据。     

Effect of laminate thickness on moisture diffusion of polymer matrix composites in artificial seawater ageing

The influence of laminate thickness of polymer matrix composites on moisture diffusion in seawater immersion, as well as the resulting mechanical property degradation for composites of glass/isopolyester (G/IPE), carbon/isopolyester (C/IPE), glass/vinylester (G/VE) and carbon/vinylester (C/VE), was investigated in this paper. Laminates 3 and 10 mm in thickness, fabricated using the wet hand lay-up technique, were characterized for moisture absorption in artificial seawater medium, and their flexural strength and interlaminar shear strength (ILSS) degradations were studied. Moisture diffusion was observed to be anamolous to the Fick’s law for both 3 and 10 mm thick samples in the later stage of diffusion. Moisture permeability of 10 mm thick samples was two to three order greater than that of 3 mm thick ones, while the time to moisture saturation remained unchanged. With the increase of laminate thickness, moisture saturation increased by 1.4% for C/VE and 7% for G/IPE. The residual flexural strength and ILSS were greater in case of 10 mm thick specimens after 200 days of exposure. SEM examination of the fractured specimens showed greater levels of fibre/matrix debonding in 10 mm thick specimens.     

循环湿热环境下碳纤维复合材料界面性能

为研究循环湿热环境对CCF300/5405复合材料体系界面性能的影响,首先对该体系循环吸湿—脱湿行为进行研究,其次分析湿热环境下层间剪切强度的变化,最后采用扫描电镜观察纤维/基体界面的微观形貌.研究结果表明:CCF300/5405体系吸湿处理后,纤维与基体间界面遭到水分破坏,产生大量空隙和裂纹,使得水分的扩散速率明显增加,吸湿率增大,且这种破坏不可逆;吸湿之后材料层间剪切强度下降,烘干之后可以恢复到近于自然干态水平;相对于水分对复合材料的不可逆破坏,可逆破坏对层间剪切强度值减小的贡献更大.     

碳纳米管/碳纤维/环氧树脂复合材料研究

制备了碳纳米管(CNTs)/碳纤维(CF)/环氧树脂(EP)三元复合材料。研究了CNTs含量对复合材料层间剪切强度、弯曲强度和弯曲模量的影响,并采用场发射扫描电镜分析了CNTs在基体树脂中的分散情况。结果表明:复合材料性能的变化源自于CNTs在基体树脂中的分散状态。当CNTs含量为0.2%(wt,下同)时,复合材料剪切强度和弯曲强度达到最大值,分别为99.2MPa和1811.4MPa,但其弯曲模量下降了8.7GPa。当CNTs添加量达到1%时,其弯曲模量达到135.9GPa,较未加入CNTs时提高了11.1%,层间剪切强度和弯曲强度分别降低了5.5MPa和359.5MPa。