苎麻织物表面改性对其增强热固性聚乳酸复合材料力学及阻燃性能的影响

采用碱处理、硅烷偶联剂处理、碱+硅烷偶联剂复合处理、碱+阻燃剂+硅烷偶联剂复合处理对苎麻织物进行表面改性,采用模压工艺制备了苎麻织物增强热固性聚乳酸(PLA)复合材料。研究了4种表面改性方法对苎麻织物/PLA复合材料弯曲性能的影响,采用SEM研究了苎麻纤维与PLA基体之间的界面结合状况。结果表明:经过4种表面改性处理后苎麻织物/PLA复合材料的弯曲性能均有所提高,其中碱+硅烷偶联剂复合处理后提高幅度最大,苎麻织物/PLA复合材料的弯曲强度、模量分别提高了59.5%、51.9%。碱+阻燃剂+硅烷偶联剂复合处理后苎麻织物/PLA复合材料的弯曲强度、模量较未处理时分别提高了38.0%、66.8%;且苎麻织物/PLA复合材料60s点火时间的损毁长度为8.25cm,达到了美国DOT/FAA/AR-00/12要求的标准。SEM结果表明:改性处理后苎麻织物/PLA复合材料中纤维与树脂之间的界面结合更好。     

静电植绒法处理多壁碳纳米管改性玻纤织物/环氧树脂复合材料的制备及力学性能

为提高玻纤增强环氧树脂复合材料的力学性能,采用静电植绒法将多壁碳纳米管(MWCNTs)附着在玻纤织物表面,得到改性的玻纤织物。利用一种低黏度的环氧树脂和所制得的改性织物,采用真空辅助成型工艺(VARI)制备了MWCNTs改性格玻纤织物/环氧树脂复合材料层合板,表征了层合板的力学性能。对进行力学实验后的MWCNTs改性玻纤织物/环氧树脂复合材料试样断口进行了SEM和OPM观察。结果显示:与未添加MWCNTs的玻纤织物/环氧树脂复合材料层合板相比,添加了MWCNTs的层合板的拉伸强度降低了10.24%,弯曲强度降低了13.90%,压缩强度降低了17.33%,拉伸模量和弯曲模量分别提高了19.38%和16.04%,压缩模量提高了13%;MWCNTs与玻纤织物之间的结合较弱,在拉伸作用下,存在明显的脱粘和分层;将改性玻纤织物在200℃下热压处理2h后,制备的MWCNTs改性玻纤织物/环氧树脂复合材料层合板的力学性能均有所提高,热压处理后树脂与玻纤织物之间的界面结合得到改善。     

碳纳米管/碳纤维环氧树脂复合材料的制备及力学性能

对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行改性处理,得到表面接枝1,3,5-苯三甲酸的碳纳米管(B-MWCNTs)。分别将MWCNTs和B-MWCNTs分散在环氧树脂基体及上浆剂中,通过缠绕成型法制备含有MWCNTs的碳纤维增强环氧树脂预浸料,并采用热压成型工艺制备MWCNTs/碳纤维环氧树脂复合材料层合板。结果表明,B-MWCNTs在环氧树脂基体和上浆剂中的分散状态明显优于MWCNTs。添加B-MWCNTs后复合材料的玻璃化转变温度(Tg)和失重5%时对应的温度均有所提高。而且,添加B-MWCNTs可以明显提高碳纤维环氧树脂复合材料的力学性能。当MWCNTs含量为0.5%(质量分数)时,B-MWCNTs/碳纤维环氧树脂复合材料层合板的压缩强度、层间剪切强度和冲击后压缩强度(CAI)分别提高了14.3%,37.1%和23.4%。     

二氧化硅纳米颗粒增强炭纤维/环氧树脂界面性能

纤维与基体间的界面性能是决定纤维增强树脂基复合材料力学性能的关键因素。采用单纤维断裂实验方法研究二氧化硅纳米颗粒对炭纤维/环氧树脂复合材料界面的增强作用。实验结果表明,涂覆在炭纤维表面和均匀分散在环氧树脂基体中的二氧化硅纳米颗粒含量分别为4.9g/m2和25%(质量分数)时,复合材料界面性能均得到改善,界面抗剪强度相比纯树脂体系分别提高了10.0%和15.0%。通过对纤维断点处双折射光斑和样品断面形貌等信息分析,可知纳米颗粒均匀分散并镶嵌到炭纤维表面沟槽中形成的锁扣结构是界面性能提高的重要原因。     

多壁碳纳米管改性氰酸酯/环氧树脂基纳米复合材料的力学性能

用强酸氧化法与等离子体镀膜法分别对原始多壁碳纳米管(MWCNTs)进行表面修饰,制备了MWCNTs改性氰酸酯/环氧树脂基纳米复合材料。对复合材料的断裂面进行SEM分析,研究了表面处理方法对复合材料室温及低温力学性能的影响。结果表明,经等离子体镀膜表面修饰后的MWCNT在基体中分散更为均匀,与基体的界面结合力更强。经等离子体镀膜表面改性后的MWCNTs复合材料,当MWCNTs质量分数为0.3%时,其室温及低温拉伸强度、弹性模量和冲击强度较纯氰酸酯/环氧树脂基体均有不同程度的提高。     

苎麻纤维复合材料医用夹板的开发及智能化

以脱胶苎麻精干麻为增强材料,以环氧树脂和聚丙烯(PP)为树脂基体,分别制备出纤维含量不同的复合材料板。经测试分析发现,纤维含量的变化导致两种基体复合材料的压缩、弯曲以及剪切强度呈现不同的变化趋势。在纤维含量相同时,苎麻/PP较苎麻/环氧树脂复合材料的力学性能总体偏差,强度增量较低,纤维抽拔效果明显,断面破坏程度大,最终确定纤维含量在20%(体积分数,下同)时的苎麻/环氧树脂复合材料最适于制作医用夹板。在苎麻/环氧复合材料板上安装粘贴柱状硬块的传感器,实验证明测试结果可以达到理想的目的和要求。     

酸化改性碳纳米管增韧双马树脂复合材料的研究

使用混酸对碳纳米管表面进行酸化改性,研究了酸化改性碳纳米管(MWCNTs-COOH)在丙酮中的分散稳定性。采用长时超声的方法将MWCNTs-COOH分散在双马树脂(BMI)体系中,制备了烯丙基双酚A改性双马树脂/酸化改性碳纳米管复合材料(BMI-DBA/MWCNTs-COOH)。通过场发射扫描电镜(FE-SEM)观察MWCNTsCOOH在复合材料中的分散性,研究了复合材料的机械性能、热机械性能和耐热性能。结果表明:与BMI相比,当加入0.2%(质量分数)MWCNTs-COOH时,复合材料的拉伸强度从61.9MPa提高到87.6MPa,提高了42%;弯曲强度从77.6MPa提高到102.9MPa,提高了33%;抗冲击强度从4.84kJ/cm~2提高到7.04kJ/cm~2,提高了约1.5倍。MWCNTs-COOH的引入可有效改善碳纳米管与树脂基体间的界面作用力,显著提高复合材料的模量和玻璃化转变温度(T_g);与BMI相比,加入MWCNTs-COOH的复合材料在N_2氛围下800℃的残炭率提高了约8%。     

单宁酸协同改性超高分子量聚乙烯纤维与环氧树脂复合材料

将单宁酸共混改性的环氧树脂与单宁酸-金属Na~+络合改性超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维进行复合,从而改善了UHMWPE纤维与环氧树脂的界面强度,提高了纤维增强复合材料的整体性能。改性后纤维表面的单宁酸与树脂基体中的单宁酸在界面处形成"桥联"作用。单宁酸共混改性环氧树脂是为了在环氧树脂中引入羟基以增强其力学强度。结果表明,当单宁酸在环氧树脂中的负载量为1%时,树脂基体的拉伸强度、弯曲强度达到最大值,分别为55.41 MPa, 74.24 MPa,与纯环氧树脂相比分别提高了67.5%和63.5%。同时界面剪切强度达到2.22 MPa,与原复合材料相比提高了64.8%。纵向纤维束使环氧树脂复合材料的拉伸强度增加到89.52 MPa,弯曲强度达到118.82 MPa,与纯复合材料相比,分别提高了120.2%,47.3%。通过扫描电镜图分析可以得出,纤维增强复合材料的破坏方式为黏接剂破坏。     

分散方法对低含量碳纳米管玻纤/环氧层板性能的影响

采用超声波振荡与超声波破碎两种分散方法制备了低含量碳纳米管(CNTs)增强的环氧树脂, 研究了CNTs对树脂流变特性、 固化特性和力学性能的影响。进一步采用该树脂体系通过真空灌注工艺(VARIM)制备了CNTs含量为0.01%的CNTs-玻璃纤维/环氧树脂复合材料层板, 研究了两种分散方式下CNTs对复合材料层板力学性能的影响和CNTs的增强机制。结果表明: 超声波破碎分散使CNTs长度变短, 分散性更好, 与超声波振荡分散方式相比, CNTs对树脂增黏效果和树脂固化反应的影响更明显。采用双真空灌注工艺, 两种超声波分散方式下CNTs均提高了复合材料的弯曲性能、 层间剪切性能和树脂与纤维的粘结强度, 而单真空灌注工艺下CNTs的增强效果不明显, 说明受纤维过滤作用的影响, 选择合适的灌注工艺和CNTs分散方式, 低含量CNTs可实现对灌注工艺复合材料层板的增强。     

纳米SiO_2-NaOH-有机硅烷偶联剂表面改性对苎麻纤维/乙烯基酯树脂复合材料性能的影响

为改善苎麻纤维/乙烯基酯树脂复合材料的力学性能和吸湿性能,采用纳米SiO_2联合NaOH和有机硅烷偶联剂KH570对苎麻纤维进行改性,考察了该表面改性方法对苎麻纤维化学结构、表面形貌、结晶度及对苎麻纤维/乙烯基酯树脂复合材料的力学性能和吸水性的影响。结果表明,苎麻纤维表面的胶质被NaOH溶解,纤维吸水性变强,变得疏松,与树脂基体的黏结性增强,纤维结晶度随着碱浓度的增加先升高后降低;有机硅烷偶联剂KH570与苎麻纤维发生偶联作用,静态水接触角增大,疏水性增强,使苎麻纤维/乙烯基酯树脂复合材料界面性能提高;在有机硅烷偶联剂KH570作用下,SiO_2以纳米级尺寸与苎麻纤维表面羟基产生共价键,从而提高了苎麻纤维/乙烯基酯树脂复合材料的力学强度;实验表明,该方法改性后的苎麻纤维/乙烯基酯树脂复合材料吸水率大大降低。     

Single-walled carbon nanotube incorporated novel three phase carbon/epoxy composite with enhanced properties

In the present work, single-walled carbon nanotubes were dispersed within the matrix of carbon fabric reinforced epoxy composites in order to develop novel three phase carbon/epoxy/single-walled carbon nanotube composites. A combination of ultrasonication and high speed mechanical stirring at 2000 rpm was used to uniformly disperse carbon nanotubes in the epoxy resin. The state of carbon nanotube dispersion in the epoxy resin and within the nanocomposites was characterized with the help of optical microscopy and atomic force microscopy. Pure carbon/epoxy and three phase composites were characterized for mechanical properties (tensile and compressive) as well as for thermal and electrical conductivity. Fracture surfaces of composites after tensile test were also studied in order to investigate the effect of dispersed carbon nanotubes on the failure behavior of composites. Dispersion of only 0.1 wt% nanotubes in the matrix led to improvements of 95% in Young's modulus, 31% in tensile strength, 76% in compressive modulus and 41% in compressive strength of carbon/epoxy composites. In addition to that, electrical and thermal conductivity also improved significantly with addition of carbon nanotubes.     

碳纳米管纤维/环氧树脂复合材料的界面剪切强度及微观结构

研究了碳纳米管纤维的微观结构和拉伸性能,并进一步分析了其与环氧树脂形成界面剪切强度及微观结构。采用单丝断裂试验测试了碳纳米管纤维/环氧树脂复合材料体系的界面剪切强度,结合单丝断裂过程中的偏光显微镜照片、复合材料的拉曼谱图和断口扫描电镜照片,研究了碳纳米管纤维/环氧树脂复合材料界面的微观结构。结果表明: 碳纳米管纤维/环氧树脂复合材料的界面剪切强度约为14 MPa;在碳纳米管纤维和环氧树脂形成界面的过程中,环氧树脂可以浸渍纤维,形成具有一定厚度的复合相,这种浸渍过程和界面相的形成都有利于碳纳米管纤维与基体之间的连接。     

Mechanical properties of aligned multi-walled carbon nanotube/epoxy composites processed using a hot-melt prepreg method

This study examined the mechanical properties of aligned multi-walled carbon nanotube (CNT)/epoxy composites processed using a hot-melt prepreg method. Vertically aligned ultra-long CNT arrays (forest) were synthesized using chemical vapor deposition, and were converted to horizontally aligned CNT sheets by pulling them out. An aligned CNT/epoxy prepreg was fabricated using hot-melting with B-stage cured epoxy resin film. The resin content in prepreg was well controlled. The prepreg sheets showed good drapability and tackiness. Composite film specimens of 24-33 μm thickness were produced, and tensile tests were conducted to evaluate the mechanical properties. The resultant composites exhibit higher Young’s modulus and tensile strength than those of composites produced using conventional CNT/epoxy mixing methods. For example, the maximum elastic modulus and ultimate tensile strength (UTS) of a CNT (21.4 vol.%)/epoxy composite were 50.6 GPa and 183 MPa. These values were, respectively, 19 and 2.9 times those of the epoxy resin.     

天然纤维/环氧树脂-混凝土的力学性能及老化规律天然纤维/环氧树脂-混凝土的力学性能及老化规律

环氧树脂-混凝土是由混合树脂、固化剂和砂石骨料等原料固化成型的一种复合材料,因其优异的性能已成为土木与建筑应用中富有潜力的新型工程材料。本文将高性能的天然纤维（剑麻和苎麻）引入环氧树脂-混凝土中,以进一步增强其力学性能。实验结果表明,极少含量的天然纤维便能够提升环氧树脂-混凝土的抗弯拉强度,体积分数为0.36vol%的剑麻纤维和苎麻纤维可以将混凝土的抗弯拉强度分别提高10.5%和8.4%。天然纤维对环氧树脂-混凝土抗弯拉强度的增强效应可以用基于混合率的并联模型描述,模型预测结果与实测结果相比,相对误差低于5.1%。利用紫外光耐气候试验箱模拟华南地区自然环境的日照辐射和湿热条件,研究了天然纤维/环氧树脂-混凝土抗弯拉性能随老化时间的衰减。当等效老化时间为6年时,天然纤维/环氧树脂-混凝土的抗弯拉强度分别下降了14.3%（剑麻纤维）和15.9%（苎麻纤维）。实验观察到的衰减规律可采用复合材料湿热老化的剩余强度模型描述。      

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。     

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。     

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。     

Processing,characterization, and modeling of carbon nanotube-reinforced multiscale composites

Carbon fiber-reinforced epoxy composites modified with carbon nanotubes (CNTs) were fabricated and characterized. High-energy sonication was used to disperse CNTs in the resin, followed by infiltration of fiber preform with the resin/CNT mixture. The effects of sonication time on the mechanical properties of “multiscale” composites, which contain reinforcements at varying scales, were studied. A low CNT loading of 0.3 wt% in resin had little influence on tensile properties, while it improved the flexural modulus, strength, and percent strain to break by 11.6%, 18.0%, and 11.4%, respectively, as compared to the control carbon fiber/epoxy composite. While sonication is an effective method to disperse CNTs in a resin, duration, intensity, and temperature need to be controlled to prevent damages imposed on CNTs and premature resin curing. A combination of Halpin–Tsai equations and woven fiber micromechanics was used in hierarchy to predict the mechanical properties of multiscale composites, and the discrepancies between the predicted and experimental values are explained.     

高刚度环氧树脂与高模碳纤维的界面相容和性能匹配

自行开发了一种高刚度环氧树脂（5182树脂）,研究了5182树脂的增刚机制、耐热性能和力学性能。结果表明,原位生成的酰亚胺刚性链段及增加的多交联位点提高了5182树脂交联网络的刚性,其玻璃化转变温度达228℃,拉伸模量达到4 375 MPa。采用高刚度5182树脂制备了国产BHM3和东丽M40J高模碳纤维增强高刚度环氧树脂复合材料,考察了高模碳纤维/高刚度环氧树脂单丝复合材料的界面黏结性能和断面微观形貌,并评价了高模碳纤维/高刚度环氧树脂单向复合材料的宏观力学性能。结果表明,由于树脂模量的提高及界面破坏区域由碳纤维表面转移到环氧树脂区,高模碳纤维/高刚度环氧树脂复合材料的界面剪切强度最高达106.8 MPa,宏观力学性能优异,尤其弯曲性能和层间剪切强度大幅提高。