表面改性对碳纤维/酚醛树脂基复合材料摩擦性能的影响

使用浓硝酸和硅烷偶联剂(hk550)对PAN基碳纤维(3K)进行表面改性,以酚醛树脂为基体制备复合材料,使用扫描电子显微镜(SEM),傅里叶变换红外光谱(FTIR),和X射线光电子能谱(XPS)等手段研究了碳纤维的结构和表面特性。用拉伸试验机测量了复合材料的拉伸强度,用微纳米力学综合测试系统(UNMT-1)测量了复合材料的摩擦性能。结果表明,用浓硝酸和偶联剂处理可提高碳纤维表面的粗糙度和化学活性,可改善碳纤维与酚醛树脂基体之间的界面结合,使复合材料的拉伸强度提高、磨损率降低。     

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。     

碳纤维改性环氧树脂基复合材料的制备及性能研究

以环氧树脂E51为基础材料,碳纤维为增强材料,制备出了不同碳纤维掺杂量(0,3%,6%,9%(质量分数))的改性环氧树脂基复合材料,研究了碳纤维掺杂量对环氧树脂基复合材料力学性能、微观形貌、热稳定性和导热性能的影响。结果表明,适量碳纤维的掺杂提高了环氧树脂基复合材料的力学性能、热稳定性和导热性能。随着碳纤维掺杂量的增加,改性环氧树脂基复合材料的拉伸强度、断裂延伸率、弯曲强度和弯曲模量均先增大后降低,当碳纤维的掺杂量为6%时,复合材料的拉伸强度、断裂延伸率、弯曲强度和弯曲模量均达到了最大值,分别为48.5 MPa, 1.86%,85.6 MPa和3.09 GPa。随着碳纤维掺杂量的增加,复合材料的分解温度和残留量先升高后降低,当碳纤维的掺杂量为6%时,复合材料的分解温度和残留量达到最大,分别为453.7℃和4.9%。复合材料的导热系数随碳纤维掺杂量的增加而增大,当碳纤维的掺杂量<6%时,导热系数增长速率较快。综合分析可知,碳纤维的最佳掺杂量为6%。     

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%。     

激光对碳纤维及碳纤维/环氧树脂复合材料性能影响

采用高能激光束对聚丙烯腈（PAN）基碳纤维进行表面改性。利用SEM、EDS、FTIR、XRD、万能试验机等表征手段,对改性前后碳纤维微观形态、成分变化、物相结构、力学性能进行表征,系统地研究了激光束对碳纤维微观组织变化、性能变化等的影响规律,探索激光束对碳纤维的作用机制。结果表明,碳纤维经激光表面改性后,其表面的粗糙度和比表面积增加,碳纤维的浸润性得到提升,且激光束的功率越高、扫描速度越低,碳纤维浸润性越好。改性后的碳纤维化学成分、微观结构及官能团种类没有改变;改性后的碳纤维官能团种类没有改变,说明激光改性过程主要以物理过程为主;激光改性没有改变碳纤维的微观结构,改性后微晶尺寸略有减小,有利于改善碳纤维与环氧树脂的界面黏结性能。激光表面改性碳纤维/环氧树脂复合材料的拉伸强度和冲击强度均有不同程度的提高,当碳纤维质量分数为0.2wt%、激光改性功率为150 W时,碳纤维/环氧树脂复合材料的拉伸强度提高了59%,冲击强度提高了52%。     

电化学改性对PAN基碳纤维表面状态的影响

采用电化学氧化法对聚丙烯腈(PAN) 基碳纤维进行表面改性, 利用扫描电子显微镜(SEM) 、原子力显微镜(AFM) 、X 射线光电子能谱(XPS) 和X 射线衍射(XRD) 对改性后的碳纤维表面状态进行了研究。同时探讨了碳纤维表面状态与其抗拉强度及其复合材料力学性能的关联。研究结果表明, 碳纤维经电化学氧化后, 表面的粗糙度提高了1.1 倍; 表面碳含量降低了9.7 %, 氧含量提高了53.8 %, 氮含量增加了7.5 倍, 羟基和羰基含量也有不同程度的提高; 表面取向指数减小了1.5 %, 表面微晶尺寸减小, 表面活性碳原子数增加了78 %。电化学氧化法的刻蚀作用致使碳纤维拉伸强度降低了8.1 %, 但同时也改善了碳纤维表面的物理性质和化学性质, 提高了碳纤维与树脂间的粘结性, 使复合材料的ILSS 提高26 %。      

等离子体处理碳纤维/树脂复合材料

为了提高碳纤维/树脂复合材料的表面浸润性,采用等离子体直接对复合材料进行表面处理,通过接触角测试、拉伸试验、金相显微分析和红外光谱分析,探究了等离子体处理碳纤维/树脂复合材料的最佳处理工艺、处理前后碳纤维/树脂复合材料的力学性能和表面官能团的变化。结果显示:电流、气压和处理时间均对碳纤维/树脂复合材料表面浸润性有明显影响,当电流为1.0A、气压为1.0Pa、处理时间为10min时,表面浸润性最佳;处理后碳纤维/树脂复合材料的拉伸强度没有减小,反而提高了8%。红外光谱分析显示处理后碳纤维/树脂复合材料表面酯基链发生断裂,酯基数量降低,相应形成更多的酮基、羧基和醇羟基,表面极性增强,浸润性显著提高。研究解决了碳纤维/树脂复合材料表面呈惰性的问题,为其表面功能涂层制备奠定了基础。     

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。     

一体烧结式改性碳纤维陶瓷基复合材料的制备及其电热性能

通过一体烧结法将改性碳纤维和陶瓷粉末(高岭土,长石和石英)结合起来制备改性碳纤维陶瓷基复合材料.烧制过程在氮气氛围下同时实现碳纤维的抗氧化保护作用和无机前驱体的陶瓷化.通过扫描电镜(SEM)、热重分析仪(TGA)、X射线衍射仪(XRD)对该复合材料内的碳纤维进行表征,涂覆抗氧化涂层使得碳纤维在高温(1100～1200℃)下烧结时能保持其完整性,进而保证所制备的改性碳纤维陶瓷基复合材料具备显著的电热效应.改性碳纤维陶瓷基复合材料的电热效率与碳纤维束长度、碳纤维束根数有关.碳纤维束越长、根数越多,复合材料的电热效率越高.良好的电热特性和稳定性能使该复合材料具有潜在的应用价值.将该复合材料投入工业化生产能改善传统的室内采暖设备耗电量大、用电安全隐患等问题,是室内采暖的理想选择.     

热塑性酚醛树脂对碳纤维环氧树脂基复合材料性能影响

利用热重分析(TGA)、扫描电镜(SEM)和三点短梁法对添加不同含量的热塑性酚醛树脂(PF)复合材料体系改性效果进行了研究,考察了不同含量的酚醛树脂对固化体系力学性能及热性能的影响.结果表明:随着酚醛树脂含量的增加,碳纤维环氧树脂基复合材料(CFRP)的弯曲强度和弯曲弹性模量呈递减趋势;层间剪切强度(ILSS)呈现先增加后减小的趋势,当酚醛树脂的含量为20%时,层间剪切强度达到111.31MPa,提高约7%;热稳定性较其他含量时为高,复合材料体系的综合性能最好.     

有机硅油改性水性酚醛的制备及其性能

以烯丙基聚氧化乙烯醚(PEO)和烯丙基缩水甘油醚(AGE)为原料,进行硅氢加成反应对有机硅油进行接枝改性,使其在水中具有分散性并引入了具有反应活性的环氧基团。使用红外光谱(FT-IR)和核磁共振氢谱(¹H-NMR)表征其结构,用示差扫描量热分析(DSC)和热重分析(TGA)表征改性硅油与水性酚醛树脂共混的稳定性和耐热性能。将有机硅改性酚醛树脂应用于机油滤纸,用扫描电镜(SEM)分析其微观形貌并探究其力学性能、耐油和耐高温性能。结果表明,PEO与AGE的摩尔比为3:1时共接枝有机硅在水中具有良好的分散性能,以5%的质量比与水性酚醛树脂共混复配后形成三维网络结构,具有良好的共混稳定性。通过浸渍增强的机油滤纸,其力学性能均有较大的提高。经过高温机油浸泡后的滤纸保持较高的力学性能,其挺度保持率、耐破度保持率和抗张强度保持率分别为55%、63%和87%。     

PET短纤维/硅灰石晶须/硅树脂混杂材料的拉伸性能表征

研究了PET短纤维和硅灰石晶须混杂增强硅树脂复合材料的拉伸性能。结果表明,相对少量硅灰石晶须加入到PET/硅树脂体系中会降低PET纤维的增强效果,材料的拉伸强度降低,但当硅灰石晶须的加入量很多时,材料的拉伸强度反而会明显提高。笔者对硅灰石晶须的加入量对PET短纤维增强系数的影响进行了定量分析。     

低密度纤维增强纳米孔树脂基复合材料的断裂机制

纤维增强纳米孔树脂基复合材料(IPC)是一类轻质高效防隔热一体化耐烧蚀材料,具有典型的非均质结构特征。在外加载荷下,内部的纳米孔隙将会衍生出微裂纹。裂纹的萌生、聚合和扩展对复合材料的强度、刚度、变形性等力学性能有着重要的影响。本文分别以石英纤维针刺网胎(NQF)、石英纤维针刺网胎/纤维布(NQCF)为增强体,制备得到不同纤维结构增强的纳米孔酚醛树脂(NPR)基复合材料(NQF/NPR、NQCF/NPR),对比研究了材料拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率及拉伸疲劳性能,并采用CT原位拉伸装置表征了拉伸过程中复合材料的微观结构演变。结果表明：纤维布的引入极大提高了复合材料的力学性能,并且微裂纹首先在针刺区域边缘的树脂基体中出现。在裂纹扩展过程中,纤维结构对树脂基体的损伤起到了不同程度的阻碍作用。最后结合有限元法建立了NPR及纤维布的有限元模型,分析了不同尺度下材料的断裂机制。     

织物形式对苎麻纤维渗透率及其复合材料力学性能的影响

采用树脂传递模塑工艺(RTM)研究了三种典型苎麻纤维织物结构(平纹、 斜纹和缎纹)对树脂流动性的影响, 并研究了三种苎麻纤维织物结构对其增强酚醛树脂复合材料的拉伸性能和层间剪切性能的影响。结果表明, 苎麻纤维织物树脂渗透率主要受纤维屈曲和流道面积的影响。斜纹和缎纹苎麻织物的纤维屈曲较小且流道面积较大, 其织物的树脂渗透率较大, 同时, 较小的纤维屈曲使其增强的复合材料拉伸性能也较优。然而, 不同织物形式对苎麻纤维织物/树脂复合材料的层间性能影响不大。     

Influence of molding condition on tensile properties of flat braided fabric reinforced phenolic composite

This study discusses the influence of molding conditions on the tensile properties of flat braided glass fabric reinforced phenolic composite. In addition, the influence of sizing on the tensile properties is also discussed by changing the amount of sizing of the glass fiber bundle. The tensile strength improved when longer periods of resin impregnation were allowed. A higher amount of sizing also improved the tensile strength by facilitating good resin impregnation into fiber bundles. Good resin impregnation suppressed matrix cracking at low strain levels, and it was the key issue to improve the tensile strength in braided fabric reinforced phenolic resin composite.     

碳纤维丝束结构对碳纤维/酚醛复合材料烧蚀性能的影响EI北大核心CSCD

以酚醛树脂为基体,以平纹碳布和短切碳纤维两种结构形式的碳纤维为增强剂,制备碳纤维增强的碳/酚醛复合材料。采用氧/乙炔烧蚀实验对复合材料的耐烧蚀性能进行了对比性研究,采用电子拉力试验机对复合材料的弯曲性能进行表征,采用扫描电镜对复合材料烧蚀形面进行观察,并通过固体火箭发动机对复合材料的烧蚀性能进行考核验证。研究结果表明:以这两种结构形式的碳纤维为增强剂制备的碳/酚醛复合材料,其氧乙炔质量烧蚀率的大小与碳纤维丝束的大小具有正相关的特性,碳纤维丝束越小碳纤维质量烧蚀率越低,当碳纤维增强剂处于单丝状态时,复合材料的氧乙炔质量烧蚀率达到最低为0.046 g/s,并且碳纤维的型号规格对复合材料氧乙炔质量烧蚀率的影响变小。固体火箭发动机实验表明,单丝状态下的碳纤维/酚醛复合材料的抗烧蚀冲刷性能明显优于束状碳纤维/酚醛复合材料。     

拉应力对玻璃纤维增强聚合物基复合材料介电强度的影响

在拉应力条件下, 测试了聚合物基体和单向玻璃纤维增强聚合物基复合材料的介电强度, 探索了聚合物基体和玻璃纤维/聚合物复合材料的介电强度与拉应力的关系, 提出并证明了聚合物基体的介电强度与拉应力呈负指数关系, 复合材料中纤维与基体的界面是影响材料介电强度的主要因素。     

弹道防护用超高分子量聚乙烯纤维增强热塑性树脂基复合材料的拉伸力学行为

以弹道防护用超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维增强热塑性树脂基复合材料作为研究对象,通过热压工艺制备单向正交结构的复合材料层压板。基于自主设计的拉伸试验装置,开展UHMWPE纤维增强热塑性树脂基复合材料在宏观尺度和准细观尺度上的面内拉伸试验,研究其面内拉伸力学性能及失效模式。研究结果显示：弹道防护用UHMWPE纤维增强热塑性树脂基复合材料在准细观尺度上的面内拉伸力学性能是其本征性能;随着偏轴角度的增加,拉伸断裂强度呈现指数型下降,这是由于失效模式由纤维的拉伸断裂破坏转变为纤维-树脂基体的界面破坏;此外,其在宏观尺度上的拉伸破坏强度比在准细观尺度上的拉伸断裂强度降低了50.52%,这是由于宏观尺度上的面内拉伸力学响应是其面内拉伸变形和层间分层破坏的耦合结果,即层压板的叠层效应。     

Uniaxial ratchetting of polymer and polymer matrix composites: Time-dependent experimental observations

The uniaxial time-dependent ratchetting of polyester resin and glass fiber reinforced polyester resin matrix composites was observed by the stress-controlled cyclic tension–compression with non-zero tensile mean stress and tension–tension tests at room temperature. After the ratchetting of the polyester resin had been observed by the cyclic tests with different loading conditions including some time-related factors, such as stress rate and peak stress hold, the ratchetting evolutions of the continuous and short glass fiber reinforced resin matrix composites were also investigated by the stress-controlled cyclic tests, respectively. It is concluded that: both the polyester resin and its composites present apparent ratchetting deformation, i.e., the ratchetting strain accumulates progressively in the tensile direction during the cyclic tension–compression with non-zero tensile mean stress and tension–tension tests; the ratchetting depends on the applied stress amplitude, mean stress, stress rate and peak stress hold, and the time-dependent ratchetting is obvious even for the continuous glass fiber reinforced resin matrix composites with high fiber volume fraction (such as 40% and 50%); the time-dependent ratchetting of the polyester resin and its composites mainly stems from the viscosity of the polyester resin, while the addition of glass fiber into the resin matrix improves the resistance of the composites to the ratchetting deformation and lowers the time-dependence of the ratchetting simultaneously.     

改性酚醛树脂处理剂对石英纤维增强芳基乙炔复合材料性能的影响

采用改性酚醛树脂作为石英纤维表面处理剂来提高石英纤维增强芳基乙炔复合材料(SF/PAA)界面性能。通过性能测试,研究处理剂对力学性能和介电性能的影响。通过XPS和SEM分析方法,研究了酚醛树脂表面处理剂对复合材料界面官能团变化和微观形貌的影响。性能测试结果表明改性酚醛树脂处理剂可以显著提高PAA复合材料的力学性能和介电性能。XPS分析结果表明酚醛树脂处理后的石英纤维表面与酚醛树脂发生了化学反应,SEM研究表明酚醛树脂处理后的复合材料界面粘结性能得到显著提高。