三维编织碳/环氧复合材料力学性能测试及破坏机制

通过宏观拉压试验, 研究了三维正交编织碳/环氧复合材料的拉伸和压缩力学性能。对试验过程进行了声发射分析, 对断口进行了扫描电镜观察分析, 给出了该类材料的拉伸和压缩破坏机制。结果表明: 三维正交编织碳/环氧复合材料有良好的拉伸和压缩力学性能; 三维正交编织复合材料在拉伸和压缩载荷作用下的断裂均为脆性断裂, 拉伸试验的主要破坏现象是纤维断裂拔出, 而压缩试验则是纤维剪切破坏; 通过声发射参数分析可以基本判定该类材料损伤过程中的损伤类型。     

Fracture behavior and acoustic emission in bending tests on single-fiber composites

The bending fracture mechanisms and interfacial behavior of single-fiber composites (s.f.c.) with different fiber surface treatments and embedded fiber positions were investigated in three-point bending with simultaneous acoustic emission monitoring. Microfractures occurring at fiber breakages were examined by AE parameters and observations by a polarized microscope. As a result, it was found that AE signals in a bulk resin specimen were almost not detected, while many AE events were monitored in the s.f.c. bending specimens. The number of AE events was in good agreement with the number of fiber breakages, except for specimens with an embedded fiber near the compressive surface. Using AE parameters, especially the peak frequency and its power energy obtained by a power spectrum analysis, failure modes can be identified. A transition of failure mode from fiber break accompanied by a matrix crack and debonding to buckling is observed when the stress in the embedded fiber changes from tension to compression. The debond length is very long near the loading point for the specimens with a fiber near the tensile surface, but it decreases with increasing distance from the loading point. The debond length is small for the specimen with an embedded fiber near the neutral plane since the strain in the fiber decreases. Furthermore, a model for debonding failure is proposed and the maximum interfacial shear stress is derived. It is confirmed that fiber fragment lengths for the specimens with a fiber near the tensile side can be also expressed by the Weibull distribution as done in s.f.c. tensile tests.     

活性碳纤维/树脂复合吸波材料的设计

研究了长度为1—2mm的活性碳纤维的介电特性。发现随频率的增大,介电常数的实部减小,虚部增大,具有频响效应。介电常数的实部和虚部均随复合材料中纤维质量百分含量的升高而增大。依据纤维的介电常数,通过阻抗匹配设计方法,优化设计两层和四层活性碳纤维吸波复合材料。根据优化结果制备了含有四个结构层的吸波复合材料,材料-10dB以下的频带宽度为8GHz,最大反射衰减-39．3dB。     

五乙烯六胺改性活性炭对Cd离子的吸附效能

以稻壳活性炭（AC）为基体,采用五乙烯六胺（PEHA）为改性剂,制备了改性AC-PEHA。研究了AC-PEHA对溶液中Cd离子的吸附动力学、等温吸附曲线、pH的影响等吸附行为,考察了不同HCl浓度对解吸率的影响,并通过SEM、FTIR、BET比表面积等手段,对AC和AC-PEHA吸附剂进行了表征。结果表明:AC-PEHA对Cd离子的吸附在反应时间为60 min处达到平衡,符合准二级吸附动力学模型。在初始Cd离子浓度为10~350 mgL-1,pH值为5.0的条件下,AC-PEHA对Cd离子的吸附量达53.58 mgg-1,显著高于AC的吸附量26.15 mgg-1。初始pH值为6~8的条件下,碱性环境更有利于AC-PEHA对Cd离子的吸附。采用30 gL-1的HCl时AC-PEHA对Cd离子的解吸率为83.8%。改性后,由于PEHA进入AC孔道,虽然使其孔容和孔径分别降低了21.6%和7.4%,但同时使AC表面负载了伯胺N—H吸附基团,提高了AC-PEHA对Cd离子的吸附能力。      

Failure behavior of quasi-isotropic carbon fiber-reinforced polyamide composites under tension

In this paper, the microscopic failure behavior of quasi-isotropic carbon fiber-reinforced polyamide-6 (CF/PA6) laminates under tension was investigated experimentally. Laminates of two layups, namely [45°/0°/?45°/ 90°]_s and [45°/0°/?45°/ 90°]_2s, were made from CF/PA6 tapes of two different manufacturers and then subjected to tensile testing. Crack initiation and progression on the polished free edge of specimens were examined using optical microscopy, under several load levels. Crack growth behavior through the specimen width was also traced by observing the crack configurations in different sections in the specimen width direction. The effects of the spatial distribution of fiber on the microscopic damage events were elucidated. The difference in failure behavior between the present CF/PA6 laminates and conventional thermosetting CF/Epoxy laminate is discussed.     

C_f/PMMA-PMA复合材料疲劳行为及生物活性

以甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸甲酯(MA)为起始原料,过硫酸钾(KPS)为引发剂,1.5 wt%聚丙烯腈基碳纤维为增强相,采用悬浮聚合的方法,制备了碳纤维增强PMMA-PMA基复合材料(Cf/PMMA-PMA)。研究了疲劳周期对Cf/PMMA-PMA复合材料抗弯强度的影响及其生物活性。采用X射线衍射分析(XRD)对复合材料的结构进行了表征,应用万能材料试验机测试了复合材料的抗弯强度,并利用扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的断面显微形貌进行了分析。结果表明,在0~5000次的循环次数内,复合材料的抗弯强度没有显著变化,试样表面的受力处也没有出现裂纹等现象。随复合材料在模拟体液(SBF)中浸泡时间的延长,复合材料表面沉积的羟基磷灰石(HA)颗粒增多,说明复合材料具有良好的生物活性。此外,SBF的浸泡对Cf/PMMA-PMA复合材料的力学性能几乎没有影响。     

碳纳米管/环氧复合材料制备与性能研究

研究了碳纳米管管径、种类、含量以及偶联-三辊研磨-超声处理等工艺条件对碳纳米管/环氧树脂复合材料拉伸强度和电性能的影响。研究结果表明:三辊研磨-超声联用是均匀分散碳纳米管简单而有效的方法。较低的碳纳米管添加量(0.8%～4%)能大幅度提高环氧树脂的剪切强度和导电性能,添加量为3%时,复合材料的综合性能最优,即剪切强度提高了55.19%,表面/体积电阻率下降了8～10个数量级。     

预应力活性粉末混凝土受弯过程声发射特性

为研究钢纤维增强活性粉末混凝土（SF/RPC）复合材料的受弯破坏微观机制,对10根试验梁进行抗弯试验研究。基于声发射技术,采用宽频传感器对试验过程中的声发射信号和波形进行了采集。分析研究了SF/RPC材料的声发射特征参数,在对波形进行信号处理的基础上对波形频谱进行了深入研究。通过传感器之间互相发射和接受信号,对SF/RPC材料的声发射波速进行了测定。同时与普通混凝土（NC）材料声发射特性进行了对比分析研究。结果表明：相同荷载作用下SF/RPC的撞击累计数远大于NC梁,声发射活跃性高于NC材料;预应力SF/RPC梁的声发射特征参数与NC梁有着明显区别,SF/RPC短上升时间段（<30 μs）的声发射撞击平均比例为64.2%,明显高于NC的比例51.2%;SF/RPC材料波形频域特性也与NC材料明显不同;荷载作用前,SF/RPC材料内平均波速为4 342.8 mm/s,NC材料内平均波速为2 337.7 mm/s。通过引入Gutenberg-Richter理论,计算了声发射信号损伤参数（b_I）,对预应力SF/RPC损伤开裂过程与b_I值的关系进行了分析研究。本研究结果为有效识别SF/RPC材料的声发射特性提供试验依据。     

碳纳米管增强聚合物复合材料力学性能及摩擦磨损性能研究进展

本文主要就近几年来碳纳米管、增强聚合物复合材料制备及其力学性能、摩擦磨损性能影响方面研究进展,作一简要介绍.     

多壁碳纳米管增强炭黑/聚丙烯导电复合材料导电行为

为了充分利用不同导电粒子的导电作用,在炭黑(CB)/聚丙烯(PP)导电复合体系中引入了多壁碳纳米管(CNTs)。研究发现：引入的CNTs分散在CB粒子间起到“桥梁”作用,使体系的导电性能得到明显改善,并且CB∶CNTs为19∶1时其协同导电效果最好,该复合体系出现逾渗现象,对应的导电填料体积分数明显降低。在导电填料总体积分数为4.76%时,少量CNTs的引入就可使复合体系的体积电阻率从109Ω·cm下降到105Ω·cm;同时少量的CNTs能明显抑制炭黑/聚丙烯导电复合材料的正温度效应(PTC),使PTC强度从6.10降低到1.48,PTC转变峰温度从166℃升高到174℃。少量的 CNTs可以使PP的结晶温度提高12℃,对PP结晶的成核作用比CB更加明显。复合体系力学性能随导电填料体积分数增加而明显降低,但因为体积电阻率一定时CB-CNTs/PP体系所需导电填料体积分数较CB/PP体系明显降低,因此少量CNTs的引入能够使复合体系的力学性能得到更大程度的保持。     

Enhanced thermo-mechanical and electrical properties of carbon-carbon composites using human hair derived carbon powder as reinforcing filler

In the present study, human hair derived carbon powder (HHC) synthesized in home laboratory is characterized via SEM, AFM, FT-IR, XRD, Raman, XPS, and TGA. Then HHC is used as a low cost reinforcing filler at 0–50?wt% with phenolic resin for fabricating carbon fabric reinforced polymer composites (CPCs) and its carbon-carbon composites (CCs). CPCs are fabricated via simple hand-lay techniques for resin-HHC slurry impregnation followed by hot pressing while CCs are obtained by carbonization of CPCs at 600 and 900?°C. Effects of HHC loading on CPCs and CCs are evaluated through static and dynamic mechanical thermal analysis, density, electrical conductivity, morphology, and microstructure studies. Tensile and flexural properties (strength and modulus) of CPCs and CCs improve significantly (～25 to 73%) at 30?wt% HHC loading. Storage modulus (E′) and loss modulus (E″) of CPCs increase up to 132 and 104%, respectively with addition of HHC up to 40?wt%. E′ and E″ of unfilled CCs increase with carbonization temperature, however they decrease with increasing HHC content. In addition to high specific properties, CCs also exhibit substantial increment (～233%) in electrical conductivity and thermal stability, which make HHC one of the most suitable material for high temperature-structural applications.     

用超临界异丙醇流体制备TiO2/活性炭复合材料

在存在超临界异丙醇介质的条件下,将钛酸异丙酯与活性炭反应生成具有光催化与吸附性能协同效应的TiO2/活性炭复合材料.产生协同效应,可使低浓度污染物快速地表面富集和吸附净化,加快了污染物的光催化降解速率,TiO2的光催化作用又促使被活性炭吸附的污染物向TiO2表面迁移,使活性炭吸附能力得以恢复,实现了吸附剂的原位再生.     

热解碳含量对碳/碳-聚酰亚胺复合材料性能的影响EI北大核心

通过化学气相渗透和浸渍-固化成型工艺制备碳/碳-聚酰亚胺复合材料。首先采用化学气相渗透法对碳毡进行热解碳的沉积,制得热解碳含量分别在7.33%(质量分数,下同),14.55%,22.00%的多孔碳/碳坯体,再经过特定的浸渍-固化工艺,依次制得碳/碳-聚酰亚胺复合材料P1,P2,P3以及未添加热解碳的对照组P0。通过SEM、线膨胀系数测试和力学性能测试,探究不同热解碳含量对碳/碳-聚酰亚胺复合材料微观形貌结构、平均线膨胀系数以及力学性能的影响。结果表明:在20~300℃的温度区间,P0,P1,P2,P3的XY向平均线膨胀系数在(0.67~0.79)×10^(-6)℃^(-1)之间,四组XY向平均线膨胀系数基本相当。P1,P2,P3的Z向平均线膨胀系数较P0依次降低41.6%,41.8%,24.1%,热解碳显著降低了材料的Z向平均线膨胀系数。P0,P1,P2,P3的XY向压缩强度依次是243.91,244.73,216.65,210.79 MPa,Z向压缩强度依次是269.22,258.80,246.68,219.20 MPa,P1压缩强度与P0相当。P0,P1,P2,P3的Z向弯曲强度依次是92.77,77.11,80.71,86.06 MPa。不同的热解碳含量对材料的力学性能影响不同,较低的热解碳含量基本保持了材料的压缩强度,而较高的热解碳含量可基本保持材料的弯曲强度。     

废旧线路板粉料/玻璃纤维增强复合材料研制

以废旧线路板回收处理过程中得到的塑料粉料与玻璃纤维作为增强材料,采用模压成型的方法制备成不饱和聚酯复合材料。研究了模压工艺参数以及废弃物粉末填料配比等对复合材料力学性能的影响规律,并初步展望了废弃物复合材料的应用。结果表明,随着模压温度、压强、模压时间和填料含量的增加,复合材料的弯曲强度先升高后降低;在优化的模压工艺参数条件下,用废弃粉体与短切玻璃纤维作为组合增强体,制得的不饱和聚酯复合材料的力学性能远大于仅用废弃粉体作为增强体的力学性能,其弯曲强度和冲击强度可达150MPa、18kJ/m2。     

拉伸状态下碳纤维复合材料T型接头的断裂行为

建立了碳纤维复合材料T型接头数值模型,模拟了其在拉伸载荷下的损伤产生、扩展及失效过程,并对碳纤维复合材料T型接头试件进行了静态拉伸试验。结果表明,接头的初始损伤载荷为9.8~12.0 kN,损伤发生后接头的载荷值发生突降（降低约27%~38%）,此时接头仍具有一定承载能力;试件完全脱胶载荷较初始损伤载荷略有降低（载荷范围为8.0~8.6 kN）。数值计算和试验结果吻合,结果均显示填料区是碳纤维复合材料T型接头最薄弱的部位,易发生破坏;填料区破坏后裂纹迅速向填料区周围的胶层扩展,导致胶层的剥离,这是导致碳纤维复合材料T型接头失效的最主要原因。     

连续炭纤维增强杂萘联苯聚醚砜酮共混树脂基复合材料力学性能

为了研究树脂共混改性对连续炭纤维增强高性能热塑性树脂基复合材料性能及破坏模式的影响,以二氮杂萘联苯结构聚醚砜酮(PPESK)及其共混树脂为基体,T700 炭纤维为增强纤维,通过溶液预浸,热压成型工艺制备单向复合材料。通过对共混树脂溶液黏度测试,复合材料样条三点弯曲、层间剪切和孔隙率试验,并借助SEM断面形貌分析,研究了聚醚酰亚胺(PEI)和聚醚砜(PES)的加入对PPESK复合材料力学性能以及受力破坏模式的影响。结果表明,PEI或PES的加入使复合材料的力学性能提高,孔隙率降低,复合材料受力破坏模式由脱粘破坏向树脂基体内部破坏转变。      

无机胶凝成型活性炭的制备及性能研究

用水泥熟料作胶凝剂,探讨粉末活性炭的成型及性能。通过引入硅微粉与采取蒸压养护措施提高材料强度、缩短制备周期;用扫描电子显微镜(SEM)观察微观形貌,用抗压强度、碘吸附值、气孔率、吸水率、含炭量等指标评价试样的综合性能。研究结果表明,将70%(质量分数)活性炭粉末、25%(质量分数)水泥熟料粉末与5%(质量分数)硅微粉充分混合均匀后,造粒、成型,在195℃蒸压釜中养护6h,可制得性能良好的无机胶凝成型活性炭材料;试样的物理性能:碘吸附值为551.72mg/g,抗压强度为7.25MPa,炭含量为58.48%,气孔率为57.34%,吸水率为69.42%。     

异形截面碳纤维复合材料的吸波性能

为了研究异形截面碳纤维复合材料的吸波性能,采用SEM、XRD及XPS等测试技术,对异形截面聚丙烯腈基碳纤维(ICF)和T300碳纤维的表面形貌、组织结构及化学组成进行了研究。结果标明：ICF的截面形状成近似正三角形,截面异形度为13.16%;与树脂基体可以形成较强的界面作用;其力学性能与T300接近,可作为结构材料的增强体使用。分别采用四电极法、网络法和雷达散射截面(RCS)法研究了2种纤维增强的复合材料的电磁性能和吸波性能。结果表明：ICF的电阻率比T300大;在高频电磁波作用下,ICF复合材料的介电常数虚部(ε″)及损耗角正切(tanδ)均比T300复合材料大;其复合材料对频率在16 GHz左右的电磁波的反射率为- 8 dB。通过研究,异形截面碳纤维复合材料同时具有承载和吸波的作用,将是一种有前途的结构吸波材料。     

甲基丙烯酰氧基倍半硅氧烷改性碳纤维/聚芳基乙炔复合材料界面性能

利用微脱粘法、三点弯曲法、扫描电镜（SEM）、力调制模式原子力显微镜（AFM）和动态力学热分析（DMTA）研究了甲基丙烯酰氧基倍半硅氧烷（Methacryl-POSS）涂层改性前后的碳纤维增强的聚芳基乙炔（PAA）复合材料的界面性能。用Wilhelmy法研究了处理前后的碳纤维与PAA树脂的浸润性。结果表明: POSS涂层处理后的碳纤维表面粗糙度增大,与PAA树脂的浸润性提高;复合材料的界面剪切强度提高了36%,层间剪切强度提高了50%。DMTA图谱表明, POSS涂层改性后,复合材料的玻璃化转变温度提高了12℃,损耗因子降低了53%,表明复合材料的界面粘接性能得到大幅度的改善。      

亚临界流体挤出制备木粉/聚丙烯复合材料

提出了一种通过亚临界流体辅助反应挤出制备木粉/聚丙烯(PP)复合材料的新型制备方法,其关键是在挤出过程中引入流体(乙醇和正丙醇),并使流体处于亚临界状态。同时,对木粉/PP复合材料进行了力学性能测试、FTIR和SEM观察。结果表明:在亚临界流体辅助反应挤出中,木粉发生了溶胀、液化等,有利于马来酸酐接枝聚丙烯渗入到木粉内部,其中酸酐基团与木粉中含有的大量羟基发生酯化反应增强,从而提高了木粉/PP复合材料的界面结合。在亚临界乙醇(190℃,(2.4±0.1)MPa,120r/min)作用下制备的木粉/PP复合材料的力学性能(拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和无缺口冲击强度)与无流体时制备的木粉/PP复合材料相比,其性能得到了一定的提高,它们分别达到了23.5 MPa、52.5 MPa、4.8GPa和5.9kJ·m~(-2)。