碳纤维增强镁基复合材料的界面研究进展

综合评述了碳纤维增强镁基复合材料的界面研究进展.介绍了碳纤维增强体的优点和两种不同的去胶方法,比较了不同的碳纤维涂层和基体成分对复合材料界面状态的影响,并对今后碳纤维增强镁基复合材料的研究方向进行了展望.     

T800H碳纤维表面特性及T800H/BA9918复合材料湿热性能研究

为了研究T800H碳纤维的表面特性及其与BA9918树脂的界面匹配性,分别采用SEM、AFM、XPS和TGA对T800H碳纤维表面形貌、表面化学特性以及碳纤维上浆剂热稳定性进行表征,测试了T800H/BA9918复合材料湿热处理前后0°压缩强度、90°拉伸强度和层间剪切强度,并得到了其在湿热处理前后的开孔压缩和冲击后压缩性能.测试发现T800H碳纤维表面有明显的沟槽,有利于表面机械啮合作用;T800H/BA9918复合材料经29 J能量冲击后压缩强度为314 MPa;在130℃湿态环境下其0°压缩强度和层间剪切强度保持率高于58%,开孔压缩强度保持率高于60%.试验结果证明T800H碳纤维与BA9918树脂具有良好的界面匹配性,T800H/BA9918复合材料具有优异的耐湿热性能.     

硅溶胶改性碳纤维对碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能影响

以硅烷偶联剂和正硅酸乙酯(TEOS)为前躯体, 以固体酸-对甲苯磺酸为催化剂制备硅溶胶, 利用硅溶胶对碳纤维进行表面改性后, 以环氧树脂为基体, 制备碳纤维增强环氧树脂复合材料。利用SEM、 TEM、 万能试验机、 偏光显微镜等对表面改性前后的碳纤维形态、 力学性能及碳纤维/环氧树脂复合材料的界面性能进行表征, 研究了硅溶胶改性碳纤维对其复合材料界面性能影响。结果表明, 硅溶胶处理碳纤维后, 在碳纤维表面原位生成具有膜-粒结构的表面层, 改性后碳纤维的强度由2.41 GPa提高到3.00 GPa, 界面性能也得到了明显改善, 界面剪切强度(IFSS)提高了51.41%。     

T-1000碳纤维/环氧树脂基复合材料性能研究

用扫描电镜、红外光谱、X射线光电子能谱仪、NOL环及φ150mm容器等手段,对T-1000碳纤维表面状态、元素组成和复合材料性能进行系统研究.结果表明,该纤维表面光滑,富有树脂涂层,具有高的活性碳基团,与HS19环氧基体匹配具有高的粘接强度,φ150mm容器环向纤维发挥强度达6174MPa,复合高压气瓶具有较高的容重比.     

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。     

高性能CFRP增强纤维表面状态分析及性能研究

为研究高性能炭纤维的表面特征及炭纤维与环氧树脂基体之间的界面结合,获得高性能的结构型炭纤维/环氧树脂复合材料(CFRP).采用红外光谱、扫描电镜、X射线光电子能谱仪、单向板、NOL环、Φ150 mm压力容器等方法,对炭纤维/环氧树脂复合材料(CFRP)3种高性能炭纤维表面状态及复合材料性能进行了系统研究.结果表明,3种炭纤维表面涂层均能参与环氧基团固化反应在界面上形成化学键;UT500系列炭纤维表面轴向沟槽可与树脂基体通过物理"机械啮合"作用形成更强的界面结合;UT500-12K炭纤维/E-51单向板剪切强度为91.46 MPa,NOL环剪切强度为77.16 MPa,分别比T700-12K/E-51体系高约40%.CFRP复合材料中炭纤维的微观结构、表面活性是决定复合材料界面结合的重要因素,直接影响复合材料制品的含胶量,进而影响其综合力学性能.     

石墨/聚丙烯复合板与碳纸间的接触电阻

应用模压工艺制备了质子交换膜燃料电池(PEMFC)用石墨/聚丙烯树脂复合板,研究了接触压力、聚丙烯树脂含量、熔融流体指数(MFI)和模压工艺条件对复合板与碳纸间接触电阻的影响.结果表明,复合板中石墨与碳纸间所形成的接触点数目是决定接触电阻大小的重要因素.接触压力的增大使石墨与碳纸间接触点的数目增大,导致接触电阻减小.而随着聚丙烯树脂含量的增加,接触电阻增大.随着MFI值的增大,模压压力的增大和模压温度的升高,接触电阻都缓慢增大.     

水性上浆剂对碳纤维表面及碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能的影响

以4,4'-亚甲基双(异氰酸苯酯)(MDI)为扩链剂, 将Triton X-100(TX-100)引入到双酚A二缩水甘油醚(DGEBA) 中, 设计合成水性碳纤维上浆剂(DGEBA-MDI-TX-100), 并利用合成的水性上浆剂对碳纤维表面进行改性。在此基础上, 以环氧树脂为基体, 制备碳纤维/环氧树脂复合材料, 研究了水性上浆剂改性碳纤维对碳纤维表面性能及其复合材料界面性能的影响。结果表明:与未经处理的碳纤维相比, 经过上浆剂改性后的碳纤维润湿性能得到了较大的提高, 与环氧树脂的接触角下降了 9.1%;与环氧树脂复合后制备的复合材料的界面剪切强度提高了64.7%。      

快速固化环氧树脂及其碳纤维/环氧复合材料性能

采用双酚A型环氧树脂（DGEBA）、改性咪唑（MIM）及改性脂肪胺（MAA）研制快速固化树脂体系。分别利用DSC和流变仪测试了树脂体系的固化特性与流变行为,优选了树脂配方。采用真空辅助树脂灌注工艺（VARIM）制备了快速成型的碳纤维/环氧复合材料层板,考察了层板的成型质量和力学性能,并与常规固化的层板性能进行了对比。结果表明：采用优选的树脂配方,120 ℃下树脂在5 min内固化度达95%,碳纤维/环氧复合材料层板成型固化时间可控制在13 min以内,固化度达95%以上,并且没有明显缺陷;与常规固化相比（固化时间大于2 h）,快速固化碳纤维/环氧复合材料层板的弯曲性能和耐热性能降低幅度较小。     

EG/SSF/ABS复合材料的导电性能与力学性能

采用硅烷偶联剂（KH550）改性膨胀石墨（EG）和不锈钢纤维（SSF）,将表面处理前后的EG和SSF与丙烯晴-丁二烯-苯乙烯（ABS）树脂通过混炼挤出制备了复合材料,分析了EG、SSF含量及改性处理EG、SSF对复合材料导电性能和力学性能的影响。结果表明,随着EG含量增加,复合材料的体积电阻率逐渐下降,且变化规律符合＂渗滤效应＂;EG改性后,复合材料的体积电阻率减小,拉伸强度增大,冲击强度减小。改性EG含量保持20%不变,加入SSF后,复合材料的导电性能有较大提高;SSF改性后,复合材料的体积电阻率变大,拉伸强度和抗冲击强度均提高,当改性后SSF含量为16%时,体积电阻率为5190Ω.cm,拉伸强度和抗冲击强度分别为50.11MPa和2.1kJ/m2。     

碳纳米管增强镁基复合材料热残余应力的有限元分析

为了探寻Ni层厚度对镀镍碳纳米管增强AZ91D镁基复合材料(Ni-CNTs/AZ91D)中热残余应力的影响, 在实验基础上, 建立不同Ni层厚度时Ni-CNTs/AZ91D复合材料的有限元模型, 模拟了Ni-CNTs/AZ91D复合材料中热残余应力的分布。研究发现: 在碳纳米管表面镀镍能够明显降低Ni-CNTs/AZ91D复合材料中的热残余应力。Ni-CNTs/AZ91D复合材料中, 热残余应力在Ni层厚度为6nm时最小; Ni层厚度由2nm增至6nm时, 热残余应力随着Ni层厚度的增加而减小; 当Ni层厚度超过6 nm时热残余应力随着Ni层厚度的增加而增大。复合材料中热残余应力的最大值随碳纳米管表面Ni层厚度的增加向Ni层与基体的界面移动。      

沥青过渡层对C/C复合材料力学性能的影响

在2D碳／碳（C／C）复合材料的碳纤维与基体热解碳间引入中间相沥青做过渡层，研究了中间相沥青的引入对C／C复合材料力学性能的影响．结果表明，与没有过渡层，普通沥青做过渡层、中间相沥青做过渡层的三类C／C复合材料比较．采用沥青做过渡层可以提高复合材料的力学性能，采用中间相沥青做过渡层制备的C／C复合材料的弯曲强度比采用普通沥青做过渡层提高44％，剪切强度提高15％．中间相沥青的引入可以使碳纤维束间和束内的结合强度不同，从而使基体断裂产生的裂纹扩散时发生偏转，复合材料的强度和韧性同时得到提高．     

聚酰亚胺纤维与碳纤维缠绕复合气瓶性能对比研究

本文主要研究高性能国产聚酰亚胺纤维在复合材料气瓶上的应用,并表征其与进口碳纤维的性能差距.采用国产聚酰亚胺纤维进行缠绕成型工艺优化与复合材料性能测试分析,在测试数据及工艺优化基础上针对其进行了复合材料气瓶的强度设计.分别采用聚酰亚胺纤维、进口T300、T700以及T800碳纤维缠绕成型复合材料气瓶,进行水压爆破压强的测试,并引进声发射检测技术对其在水压过程中的损伤信号进行监测分析.结果表明聚酰亚胺纤维缠绕工艺性良好,与树脂界面结合优异,适用于湿法缠绕成型工艺.复合材料拉伸强度达到1 708 MPa,纤维的强度发挥率高达80%,相比于碳纤维复合材料其呈现出较好的断裂韧性,有利于减少复合材料气瓶在水压下的应力损伤.缠绕成型的聚酰亚胺纤维复合材料气瓶容器特征系数(PV/W)高达32.2 km,其在航空航天、医用、汽车、核工业等领域具有广阔的应用前景.     

上浆剂对国产碳纤维复合材料界面性能的影响

为了研究两种不同上浆剂和湿热环境对国产300级碳纤维/环氧树脂体系微观界面性能的影响,采用单丝断裂法,测试分析了去浆前后碳纤维单丝复合体系在自然干态、湿热处理3 d及湿热处理6 d的状态下微观界面剪切应力的变化.结合对扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)及X射线光电子能谱(XPS)等测试结果的分析,研究了碳纤维上浆剂对微观界面性能及其界面耐湿热性能的影响.结果表明:去浆前后A300碳纤维表面均有明显沟槽;上浆剂1并未使A300碳纤维表面粗糙度有明显变化,但上浆剂2使A300碳纤维表面粗糙度减小,而两种上浆剂均使A300碳纤维表面含氧极性官能团含量减少.两种上浆剂对制备的复合材料界面性能和耐湿热性能都有较大的提高,其中上浆剂1在自然干态下对界面性能的提高更明显.     

含碳纳米管有机无机复合涂层的制备与防护性能

为了改善铝合金材料的耐腐蚀性能, 研究了以正硅酸乙酯（TEOS）为主要原料, 加入一定量的KH-550, 并引入部分羟基化的多壁碳纳米管（MWCNTs-OH）进行复合, 以冰乙酸为催化剂, 采用溶胶---凝胶法在铝合金基体表面形成复合涂层。腐蚀电化学测试和扫描电镜分析结果表明, MWCNTs-OH的引入能够明显提高涂层的防护性能, 并有效防止涂层开裂。考察了MWCNTs-OH含量和热处理温度对涂层性能的影响。结果表明: MWCNTs-OH质量分数为0.04%、 热处理温度为130℃时制备的涂层性能最佳, 相应的试样在3.5wt%NaCl溶液中的腐蚀电流密度约为3.056×10-8A/cm2, 而同等实验条件下铝合金基体腐蚀电流密度为7.216×10-5A/cm2, 涂层的存在使腐蚀速率降低了3个数量级, 涂层对铝合金基体具有显著的防护效果。      

石墨/碳化硅/铁氧体涂层复合材料性能研究

为了开发具备良好介电性能和力学性能的多功能吸波复合材料,以涤纶针织物为基布,以环氧树脂为基体,在基布上进行石墨/碳化硅/铁氧体三层复合涂层整理,制备1.5 mm涂层厚度的柔性纺织涂层复合材料.采用介电谱仪研究了吸波剂的含量对吸波涂层材料介电常数和损耗角正切的影响.鉴于该材料多用于工程领域,采用万能材料实验机测试了该复合材料的拉伸、弯曲、剪切等力学性能.结果表明,该复合材料在低频段具备良好的介电性能,且具备一定的力学性能.     

炭纸上原位生长CNF/CP复合体的氧气电催化反应性能

利用催化气相化学沉积(Catalytic chemical vapor deposition,CCVD)法在炭纸上原位生长得到CNF/CP复合体,并对这种复合体的物理化学性能和氧气电催化还原反应(Oxygen reduction reaction,ORR)性能进行了研究.结果表明:纳米炭纤维较为均匀地分散在炭纸上,其中纳米炭纤维具有窄的直径分布.所制CNF/CP复合体具有较大的比表面积和独特的中孔结构;相对于炭纸,CNF/CP复合体的端面碳原子和基面碳原子比例较高.另外,CNF/CP还具有较高的ORR反应活性,其ORR为2电子反应过程,原因可以归结于纳米炭纤维独特的微结构.同时,CNF/CP也具有较高的交换电流密度和较正的平衡电压.     

上浆剂分子量对碳纤维表观性能及其界面性能影响研究

研究了不同分子量的上浆剂对碳纤维表观状态及其界面性能的影响,并采用了AFM,SEM等表面分析技术研究了上浆后碳纤维表面形貌.AFM,SEM证实了S-1表面没有小颗粒存在,沟槽较均匀,而S-2表面的沟槽较深,S-3表面的沟槽较浅,且表面都有小的颗粒.XPS证实了S-1表面含有O元素含量最高,表面极性官能团较多.上浆剂分子...     

Improvement of the mode II interface fracture toughness of glass fiber reinforced plastics/aluminum laminates through vapor grown carbon fiber interleaves

The effects of acid treatment, vapor grown carbon fiber (VGCF) interlayer and the angle, i.e., 0° and 90°, between the rolling stripes of an aluminum (Al) plate and the fiber direction of glass fiber reinforced plastics (GFRP) on the mode II interlaminar mechanical properties of GFRP/Al laminates were investigated. The experimental results of an end notched flexure test demonstrate that the acid treatment and the proper addition of VGCF can effectively improve the critical load and mode II fracture toughness of GFRP/Al laminates. The specimens with acid treatment and 10 g m⁻² VGCF addition possess the highest mode II fracture toughness, i.e., 269% and 385% increases in the 0° and 90° specimens, respectively compared to those corresponding pristine ones. Due to the induced anisotropy by the rolling stripes on the aluminum plate, the 90° specimens possess 15.3%–73.6% higher mode II fracture toughness compared to the 0° specimens. The improvement mechanisms were explored by the observation of crack propagation path and fracture surface with optical, laser scanning and scanning electron microscopies. Moreover, finite element analyses were carried out based on the cohesive zone model to verify the experimental fracture toughness and to predict the interface shear strength between the aluminum plates and GFRP laminates.     

炭纤维增强羟基磷灰石/聚乳酸复合生物材料的力学性能和体外降解性能

采用溶液共混法制备了炭纤维(CF)增强羟基磷灰石(HA)/聚乳酸(PLA)三元复合生物材料。研究了该复合材料的力学性能和体外降解性能。CF/HA/PLA复合材料具有优异的力学性能, 弯曲强度和弯曲模量均随着HA含量的增加先升高后降低, 存在一个峰值, 可分别达到430MPa和26GPa。在PBS模拟体液中降解3个月, 弯曲强度和弯曲模量分别下降到初始值的30%和36%。SEM照片显示, 降解是从复合材料的界面开始的, 降解3个月后, 界面结合处出现缝隙, 吸水率增加到5%, 质量损失只有1.6%。PBS模拟体液的pH值下降在0.1之内, 有利于骨折部位的愈合。实验结果表明, 该复合材料的机械性能满足骨折内固定材料技术指标的要求。