快速固化碳纳米管/苎麻纤维/环氧树脂复合材料层板的制备与性能

针对植物纤维/树脂基复合材料高性能化问题,本研究以羟基化碳纳米管/无水乙醇分散液预先浸渍苎麻纤维织物,得到了碳纳米管分散均匀的碳纳米管/苎麻纤维多尺度复合织物,并进一步以快速固化环氧树脂为基体,采用真空辅助树脂灌注成型工艺(VARI)制备了碳纳米管改性的苎麻纤维/环氧树脂基复合材料层板(PRFC)。研究结果表明,相比未采用碳纳米管改性的苎麻纤维/环氧树脂复合材料(RFC),PRFC的弯曲强度提高14.7%,冲击强度提高20.9%。相比碳纳米管预先分散于环氧树脂基体中制备的碳纳米管改性苎麻纤维/环氧树脂复合材料(MRFC),PRFC的力学性能提高更显著。同时,PRFC的吸湿性能比MRFC和RFC的明显降低。     

再生PET纤维/PP复合材料的结构及力学性能

为满足环境保护和可持续发展的需要,废弃无纺布的回收再利用已经成为材料领域的又一研究热点。本文以废弃无纺布为研究对象制得再生聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维,通过热压成型技术制备不同纤维含量的PET/聚丙烯(PP)复合材料。综合利用SEM、DSC、XRD、拉伸性能测试等手段对PET/PP复合材料的结构和性能进行了研究。结果表明:低含量的PET纤维均匀分散在PP基体中,与基体间界面结合紧密;PET纤维的异相成核作用促进了PP分子链的结晶,提高了结晶度,使晶粒细化;这些微结构的变化有利于PET/PP复合膜力学性能的提高,当PET纤维含量仅为0.1%时,PET/PP复合膜的拉伸强度提高了25.99%,断裂韧性提高了61.96%。     

苎麻纤维表面处理对其复合材料性能的影响

在不同处理时间和功率的条件下,对苎麻纤维表面进行冷等离子体处理。通过分析纤维表面能以及纤维拉伸强度的变化,选取了3组处理纤维与未处理纤维作为复合材料的增强纤维,并且运用模压工艺制备苎麻纤维增强复合材料。经过扫描电镜分析、弯曲强度和剪切强度测试以及单纤维断裂实验,探究了冷等离子体处理对苎麻纤维表面性能及其复合材料性能的影响。结果表明:冷等离子体处理去除了苎麻纤维表面的胶质和杂质,提升了纤维与环氧树脂的粘附功。随着处理时间与功率的增加,复合材料板的力学性能随之提升。与未处理纤维复合材料相比,当处理条件为3min、200W时,复合材料的弯曲强度与剪切强度分别提升了37.0%和30.5%。     

水环境下剑麻纤维/玻璃纤维/聚丙烯复合材料的性能研究

以聚丙烯树脂(PP)为基体,剑麻纤维(SF)、玻璃纤维(GF)为增强材料。采用熔融共混、模压成型工艺制备PP/SF/GF复合材料。室温条件下,将试样在水中浸泡不同时间,分析其吸水率及性能的变化。结果表明,复合材料的吸水率均随浸泡时间的延长和SF/GF含量的增加而逐渐增加,其冲击强度和弯曲强度均随浸泡时间和SF/GF含量的增加呈下降趋势。同时,复合材料的热稳定性、PP相的结晶速率及结晶度也有所降低。     

纤维含量对黄麻纤维增强树脂基复合材料力学与热性能的影响

为研发低碳、节能、性能优异的麻纤维增强树脂绿色复合材料并扩展其应用领域,本文采用团队发明的氨基硅油乳液对黄麻纤维(JF)进行表面改性,运用开炼-注塑成型复合工艺研制了纤维含量为10wt%～25wt%的改性黄麻纤维增强聚丙烯(JF/PP)新型复合材料,系统全面地研究了改性麻纤维含量对JF/PP复合材料力学性能、结晶行为、耐热性能(热变形温度)及热尺寸稳定性(线膨胀系数)的影响规律及相关作用机制,并采用接触角测试分析与SEM技术分析了复合材料界面相容性与结合状态。结果表明：氨基硅油乳液改性JF,增强了JF与PP基体的界面结合力。随着纤维含量的增加,JF/PP复合材料的拉伸和弯曲强度逐渐增加,而冲击强度则有所降低。DSC、热变形温度和线膨胀系数测试分析表明,添加改性JF能够促进PP异相成核,并限制PP分子链的运动能力,从而提高JF/PP复合材料的耐热性能,且随着纤维含量增加,耐热性能呈不断上升趋势。当改性JF含量为25wt%时,JF/PP复合材料的热变形温度为142.5℃,较纯PP提高了53.5%。同时,复合材料平均线膨胀系数随纤维含量增加而明显降低,表明复合材料的热尺寸稳定性显著提高。相比...     

超高分子量聚乙烯纤维的液相氧化改性及其环氧树脂基复合材料的力学和摩擦性能

为增强超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与环氧树脂(EP)基体之间的界面粘结强度,采用重铬酸钾溶液对UHMWPE纤维进行表面改性并制备UHMWPE纤维/EP复合材料。结果表明,UHMWPE纤维经液相氧化后表面刻蚀痕迹明显,表面粗糙度明显增加,结晶度增加了11.3%,与乙二醇的接触角减小了14.12°。与纯环氧树脂相比,纤维含量为0.4%的未改性UHMWPE纤维/EP复合材料的拉伸强度降低18.04%,纤维含量为0.6%的液相氧化改性UHMWPE纤维/EP复合材料的拉伸强度降低51.55%,未改性UHMWPE(纤维含量0.5%)和液相氧化改性UHMWPE(纤维含量0.4%)纤维/EP复合材料的冲击强度分别提升了3.29%和4.39%。当纤维含量为0.3%时,液相氧化改性UHMWPE纤维/EP复合材料的弯曲强度比纯环氧树脂增加6.55%,比未改性UHMWPE纤维/EP复合材料增加19%。当纤维含量由0增大到0.5%时,改性和未改性UHMWPE纤维/EP复合材料的摩擦系数先增加后减小。     

随机植物短纤维复合材料界面性能对有效模量和拉伸行为的影响

研究了界面性能对随机短云杉纤维增强聚丙烯(PP)复合材料宏观拉伸性能的影响。采用双线性内聚力模型(CZM)描述随机短云杉纤维和PP基体间非理想界面的力学行为,建立了含非理想界面的随机短纤维增强复合材料代表性单元(RVE)的二维有限元模型,考虑了纤维含量、长细比、随机分布和随机各向异性弹性以及PP基体弹塑性的影响;模拟了不同纤维含量复合材料的实验拉伸应力应变曲线。结果表明,短云杉纤维/PP基体间非理想界面刚度与复合材料有效弹性模量之间有单调递增的曲线关系,即E-K曲线;同一复合材料不同纤维含量的E-K曲线簇有一个临界交点。在交点右侧强界面刚度区复合材料有效模量随着纤维含量的增加而提高,在交点左侧弱界面刚度区有效模量随着纤维含量的增加而减少。三种不同体积含量10%、20%和49%的云杉/PP复合材料的非理想界面刚度可用E-K曲线和实验测得的宏观有效弹性模量确定,云杉/PP界面初始破坏位移和界面完全破坏位移也可根据模拟拉伸应力应变曲线确定。数值分析结果能用非理想界面刚度来解释和理解随机短植物纤维体积含量对复合材料宏观有效模量的影响。     

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。     

纳米碳管/环氧树脂纳米复合材料的研究

采用熔融混合法合成了不同纳米碳管含量的纳米碳管/环氧树脂复合材料,测试了弯曲性能、冲击强度,并利用扫描电镜(TEM)对产物进行了表征,同时,针对纳米碳管对环氧树脂电学性能的影响做了初步研究。结果表明,当纳米碳管含量为0.05%时,纳米碳管/环氧树脂复合材料的冲击强度、弯曲强度最高,弯曲强度提高100%,弯曲模量提高41%,冲击强度提高4倍,纳米碳管在环氧树脂基体中呈单根分散,纳米碳管使环氧树脂的体积电阻下降,导电性增加。     

不同结构的颗粒填充对环氧树脂纳米复合材料性能的影响

通过溶液共混法制备了环氧树脂/纳米介孔MCM-41和环氧树脂/纳米SiO2复合材料,研究了结构不同的填充颗粒、不同的填充颗粒含量及其复合材料的分散性与力学性能.结果表明,由于这种具有双重纳米结构(纳米级颗粒尺寸和纳米级的介孔结构)的介孔分子筛MCM-41能与基体形成新型网络复合结构,因此在纳米介孔MCM-41的含量适当(小于10%,质量分数,下同)时,纳米介孔MCM-41能均匀地分散在环氧树脂基体中,有效地提高复合材料的拉伸强度.而含量较高(不低于5%)的实心纳米SiO2将在环氧树脂基体中产生大量团聚体,使复合材料的拉伸强度降低.     

基于纤维束/环氧树脂复合材料试验的单向层合板横向拉伸强度预测方法

实验研究表明,纤维束/环氧树脂复合材料试件的横向拉伸强度与工程上常用的单向层合板横向拉伸强度在趋势上具有很好的相关性,但是数值上存在一定差距。本文使用两种碳纤维和两种环氧树脂制备了三种纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板,并分别测量了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度,以及环氧基体的拉伸强度。在实验基础上,应用Griffith断裂强度理论建立了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度的关系模型,通过两种复合材料实验的结果拟合了该模型中的参数。利用第三种复合材料实验进行校验,发现该模型预测的单向层合板横向拉伸强度与实测强度之间达到很好的一致性,相对偏差为9%。采用本文提出的方法,可以用较为简单的纤维束/环氧树脂复合材料和环氧基体拉伸试验预测单向层合板的横向拉伸强度。     

Development of a carbonization-in-nitrogen method for measuring the fiber content of carbon fiber reinforced thermoset composites

Carbon fiber reinforced thermoset composites such as carbon fiber epoxy composites are widely used in aircraft and aerospace, and are being increasingly used in automotive applications because of their lightweight characteristics, high specific strength, and stiffness. The carbon fiber content in the composite plays a critical role in enhancing structural performance. The carbon fibers contribute to the strength and stiffness; therefore, the mechanical properties of the composite are greatly influenced by the carbon fiber content. Measurement of carbon fiber content is essential for product quality control and process optimization. In this work, a novel carbonization-in-nitrogen (CIN) method is developed to characterize the fiber content in carbon fiber thermoset composites. A carbon fiber composite sample is carbonized in a nitrogen environment at elevated temperatures, alongside a neat resin sample. The carbon fibers are protected from oxidization while the resin (the neat resin and the resin matrix in the composite sample) is carbonized under nitrogen environment. The neat resin sample is used to calibrate the resin carbonization rate and calculate the amount of the resin matrix in the composite sample. The new method has been validated on several thermoset resin systems, and found to yield accurate estimation of fiber content in carbon fiber thermoset composites.     

Reinforcing hydroxyapatite/thermosetting epoxy composite with 3-D carbon fiber fabric through RTM processing

Bioactive ceramic/polymer composites have been developed in the orthopaedic field in recent years. In this work, three-dimensional (3-D) carbon fiber fabric is used to reinforce hydroxyapatite (HA)/thermosetting epoxy composite and epoxy resin through resin transfer molding (RTM) processing. It is found that the 3-D carbon fiber fabric can be impregnated with epoxy and HA-containing epoxy resin, and HA is distributed gradually along the depth direction in fiber-reinforced HA/epoxy composite, although HA is dispersed evenly in epoxy resin by surface modification of silane coupling agent. The impact toughness and flexural strength of fiber-reinforced epoxy and fiber-reinforced HA/epoxy composites are much higher than those of epoxy and HA/epoxy composite. The impact toughness of both fiber-reinforced composites decreases while the flexural strength and the flexural modulus increase with fiber volume ratio. The impact toughness of the fiber-reinforced HA/epoxy composite is higher, while the flexural strength and modulus are lower than those of the fiber-reinforced epoxy composite at the same fiber volume ratio. The flexural strength of the both composites is higher than, and their flexural modulus is close to, those of the human cortical bone. The in vitro cytotoxicity test with L929 fibroblasts shows that the addition of HA diminished the toxicity of 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。     

Permeability and mechanical properties of plant fiber reinforced hybrid composites

Plant fibers with small diameter generally possess high mechanical properties, while their permeability was relatively low compared to those with large diameter. By hybridizing these two kinds of plant fibers, a composite with both high permeability and good mechanical properties can be achieved. Here, permeability of jute/ramie and ramie fabrics were compared, regarding the flow rate of a vinyl ester resin during the Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding process; and mechanical properties of their composites were addressed thereafter. The faster flow rates of vinyl ester resin proved that jute/ramie fabrics were more permeable than pure ramie fabrics resulting from larger flow space and the greater capillary effect of jute fabrics. Both tensile strength and Charpy impact strength of the hybrid composites dropped slightly after hybridization due to the lower properties of jute than of ramie fiber as the properties of fiber dominated the failure mode. However, interlaminar shear strength remained, since the middle layer was far from the weak jute–ramie interface. The results implicated a method to improve the permeability of plant fiber reinforcement when manufacturing efficiency is considered in industrial application.     

竹纤维组合形态对竹纤维/聚丙烯复合材料性能的影响

以聚丙烯（PP）为基体,单根竹纤维（SBF）和竹纤维束（BFS）两种形态竹纤维为增强体,采用无纺气流铺装-模压工艺制备了SBF-BFS/PP复合材料。通过力学试验机、SEM、TGA、DSC等对SBF-BFS/PP复合材料的力学性能、微观形貌、热性能等进行表征,研究竹纤维形态配比变化对SBF-BFS/PP复合材料综合性能的影响。结果表明,在纤维总含量不变情况下,SBF在两种形态竹纤维中的含量逐步增加时,SBF-BFS/PP复合材料冲击强度和弹性模量逐步增加; SBF在两种形态竹纤维中质量分数为90wt%时,SBF-BFS/PP复合材料冲击强度和弹性模量比SBF质量分数为10wt%时分别提高了26.46%和38.39%; SEM结果表明,竹纤维与PP基体存在较差界面相容性,竹纤维出现断裂和拔出等现象;热失重结果表明,随着SBF含量的增加,SBF-BFS/PP复合材料的耐热性能并没有明显变化。此外,对SBF-BFS/PP复合材料的耐水性能测试结果表明,由于SBF比表面积大,随SBF含量的增加,SBF-BFS/PP复合材料中易吸水组分增加,从而导致其耐水性能下降。      

Influence of fiber content on the mechanical and dynamic mechanical properties of glass/ramie polymer composites

The combination of glass and ramie fibers with a polyester matrix can produce a hybrid material that is competitive to all glass composites (e.g. those used in the automobile industry). In this work, glass and ramie fibers cut to 45 mm in length were used to produce hybrid polymer composites by resin transfer molding (RTM), aiming to evaluate their physical, mechanical and dynamic mechanical properties as a function of the relative glass–ramie volume fractions and the overall fiber content (10, 21 and 31 vol.%). Higher fiber content and higher ramie fiber fraction in the hybrid composites yielded lower weight composites, but higher water absorption in the composite. The mechanical properties (impact and interlaminar shear strength) of the composites were improved by using higher fiber content, and the composite with 31 vol.% of reinforcement yielded the lowest value for the reinforcement effectiveness coefficient C, as expected. Although the mechanical properties were improved for higher fiber content, the glass transition temperature did not vary significantly. Additionally, as found by analyzing the adhesion factor A, improved adhesion tended to occur for the composites with lower fiber content (10%) and higher ramie fiber fraction (0:100) and the results for the adhesion factor A did not correspond to those found by the analysis of the tan delta peak height.     

苎麻纤维布和玻璃纤维布混杂铺层复合材料的力学性能

利用真空吸注成型(vacuum resin absorbable molding,VRAM)工艺制备苎麻纤维布与玻璃纤维布混杂铺层的环氧树脂基复合材料。测定复合材料的损耗因子、储能模量的温度谱和力学性能;利用单悬臂梁共振实验测量复合材料的共振频率和自由振动衰减曲线并计算出了阻尼因子。用有限元软件对其共振频率和自由振动衰减实验进行仿真分析。结果表明:通过苎麻纤维布/玻璃纤维布的混杂铺层,能够实现材料阻尼性能和力学性能的可控调节,充分发挥复合材料可设计性强的优势。其中RGR铺层的复合材料的损耗因子比纯玻璃纤维板提高了1.4倍,而拉伸强度比纯苎麻纤维板提高了3倍多;自由振动的有限元模拟曲线和实验曲线基本吻合,表明可以通过模拟软件实现复合材料的虚拟振动测试,从而为材料性能预测和设计提供方便。