热氧老化对三维编织碳纤维-玻璃纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料力学性能的影响

研究了三维编织碳纤维-玻璃纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料和层合碳纤维-玻璃纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料在200℃和250℃分别老化10、30、90、120和180天后的弯曲和剪切性能的变化。结果显示热氧环境下,纤维/双马来酰亚胺树脂基体界面性能随着老化时间的延长而显著下降,且编织复合材料老化后的弯曲和剪切性能保留率大于层合复合材料。这是由于编织复合材料中沿厚度方向的Z向纱将所有纱线捆绑为一个整体结构抵抗外力,且在热氧老化造成复合材料之间产生裂纹时,Z向纱的存在可以阻挡裂纹的扩展,减缓材料的老化速率。这说明与层合复合材料相比,编织复合材料的整体结构能够起到补偿由热氧老化导致的力学性能下降的作用。      

不同纤维织物/乙烯基酯复合材料的湿热老化

本文将不同纤维织物与750HOI环氧乙烯基酯树脂复合成三种层合结构的复合材料,对比研究了树脂浇铸体及复合材料在60℃与90℃去离子水中的湿热性能。通过材料的吸湿特性、弯曲性能、微观结构以及动态热机械性能的变化,分析了材料的湿热老化机理。研究表明:不同纤维织物增强的复合材料吸湿行为具有较大差异;90℃浸泡2160h后,添加碳纤维表面毡的复合材料F2弯曲强度保留率为70.42%,而表面层为方格布的复合材料J的保留率为51.88%;红外光谱(FTIR)研究表明:90℃湿热老化后复合材料基体树脂发生了水解断裂;扫描电镜(SEM)和动态热机械分析(DMA)研究发现:老化后复合材料中纤维/基体界面发生脱粘破坏,界面结合强度降低,试样的Tg和储能模量减小。     

热氧老化对碳纤维双马树脂基复合材料性能的影响

采用三点弯曲测试方法,研究热氧老化对碳纤维双马树脂基复合材料弯曲性能的影响,分析复合材料的失重行为以及不同老化时间下的弯曲性能、断口形貌、动态力学性能和红外谱图。结果表明:随着老化时间的增加,老化温度为100℃时的质量损失率逐渐趋于平稳,180℃时的质量损失率逐渐增加。老化温度为100℃时,只是物理老化,没有新物质的生成;而老化温度为180℃时,发生了化学老化,产生了热老化效应和氧化反应,引起了基体性能和界面性能的退化。热氧老化对复合材料弯曲强度的影响要大于对弯曲模量的影响。     

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。     

碳纤维三维编织复合材料的结构对拉伸和弯曲性能的影响

研究了碳纤维四步法三维四向、三维五向编织结构复合材料的拉伸和弯曲性能,以及结构参数-编织角的变化对其拉伸和弯曲性能的影响,并与层合复合材料作了对比性研究.结果表明,三维编织复合材料具有良好的力学性能,其拉伸强度可达810MPa、拉伸模量可达95.6GPa,弯曲强度可达829.03MPa、弯曲模量可达67.5GPa.同时,编织角和编织结构对复合材料性能有较大的影响.随着编织角的增大,复合材料的拉伸、弯曲强度和模量均减小;三维五向结构的拉伸、弯曲强度和模量均高于四向结构;在纤维体积含量相近的情况下,通过对编织角的设计,可以设计三维编织复合材料的性能.     

碳纤维高温退浆处理对聚酰亚胺复合材料热老化的影响

分别从复合材料热氧化失重、表面和微观形貌、力学性能和玻璃化转变温度等方面，对比研究了碳纤维退浆和未退浆两种状态的聚酰亚胺复合材料在330℃下热老化过程中的性能变化规律及机理。结果表明：碳纤维退浆可以降低聚酰亚胺复合材料的热氧化失重率。碳纤维未退浆的复合材料由于界面层含耐温性低的环氧上浆剂，在热老化过程中界面容易破坏，导致裂纹较多，边缘纤维较快发生脱离。未退浆的复合材料虽然在老化前具有较高的层间剪切强度，但在热老化前期降低较快，退浆的复合材料在200 h老化后层间剪切强度反而更高。两种复合材料老化前的弯曲强度基本相当，但未退浆的复合材料在老化前期弯曲强度下降较快；退浆对弯曲模量影响不大。退浆后的复合材料玻璃化转变温度提高了15℃左右；经热老化后，未退浆的复合材料玻璃化转变温度略有提高，而退浆的复合材料基本不变。因此，对碳纤维进行高温退浆处理有利于提高聚酰亚胺复合材料在高温下长期使用的稳定性。     

热氧老化对纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料力学性能的影响

通过改变预制体结构衬纱取向的方法制备了几种含不同剪切角的纬编双轴向多层衬纱(Multilayered biaxial weft knitted,MBWK)织物增强复合材料。基于Arrhenius模型和Ozawa法设计了热氧老化试验,采用力学性能测试、DSC、FTIR和DMA测试对老化前后的试样热-物理性能进行了表征。实验结果表明：预制体的纱线剪切角不同,其复合材料受热氧老化后力学性能的保留率也显著不同,由于乙烯基酯树脂在热氧老化环境中会发生后固化现象,因此复合材料的弯曲模量在老化过程中呈现先增加后下降的趋势,而拉伸性能则受到增强体结构的影响,纤维/基体界面的结合力退化使拉伸模量在老化过程中持续下降;随着老化时间的延长,树脂的固化度逐渐增加,玻璃化转变温度T_g逐渐升高,储能模量峰值在老化初期由于分子链交联上升,老化后期分子链断裂占据主导作用致使峰值逐渐下降。     

多组分氧化石墨烯/聚醚胺/碳纳米管层级结构碳纤维复合材料的制备及性能研究

利用层层自组装法在碳纤维表面构建多组分氧化石墨烯/聚醚胺/碳纳米管，在碳纤维表面构建新型界面相，从而提高碳纤维与树脂基体的结合能力。采用傅里叶红外光谱仪(FT-IR)和显微共焦拉曼光谱仪分析了碳纤维表面结构和官能团，采用热导仪测试了碳纤维复合材料的热导率，采用万能试验机测试了碳纤维复合材料的层间剪切强度(ILSS)、复合材料的弯曲强度和弯曲模量。结果表明：当碳纤维表面氧化石墨烯/聚醚胺/碳纳米管循环组装2次后，碳纤维复合材料的热导率提高了51.5%,层间剪切强度提高了52.2%,弯曲强度和弯曲模量分别提高了33.3%和60.1%。     

老化环境对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料性能的影响

不同老化环境(湿热、热水、热氧)对复合材料的性能有着重要的影响。文中分析了同一温度不同老化环境下T800碳纤维/环氧树脂基复合材料的吸湿(湿热、热水)和失重(热氧)特性,并对比了老化前后的表面形貌、物理化学特性、动态力学性能及层间剪切性能。结果表明,在相同温度下,热氧环境下的失重率要大于湿热和热水环境下的吸湿率;随着老化时间延长,热氧环境下材料表面形貌变化相比湿热和热水环境变化较大;在70℃不同老化环境下,热氧环境下材料的玻璃化转变温度变化值要大于湿热和热水环境下的玻璃化转变温度变化值,说明热氧对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料基体的后固化作用大于吸湿对树脂基体的塑化作用,但材料化学官能团没有明显变化。与未老化相比,试样的最大破坏载荷和剪切强度在湿热和热水环境下降低,在热氧环境下升高,但差值不大。研究对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料结构件在更复杂环境下的使用和贮存具有重要的工程实际意义。     

热氧老化对三向正交碳/玻璃纤维/双马复合材料力学性能的影响

采用三点弯曲和层间剪切测试法研究热氧老化对三向正交碳/玻璃纤维/双马复合材料(三向正交复合材料)和对应的层合碳/玻璃纤维/双马复合材料(层合复合材料)力学性能的影响.分析复合材料的失重行为以及不同老化时间下的红外光谱、宏观和微观形貌、弯曲性能和层间剪切性能.结果表明:热氧老化导致的大量树脂分解在复合材料表面及内部产生大量裂纹,界面性能不断下降,最终导致复合材料整体力学性能的下降,但三向正交复合材料的性能保留率始终高于层合复合材料.这是因为,三向正交复合材料有Z向纱存在,裂纹沿着层间传播时会受到Z向纱的阻挡,因此能在树脂和界面性能严重退化的情况下使所有纤维成为一个整体来抵抗外力.此外,采用"改进型随机过程模型"对200℃下老化180天的三向正交复合材料的弯曲强度数据进行预测,预测误差小于10％,说明该模型具有较高的可靠性.     

Preparation and characterization of three-dimensional braided carbon/Kevlar/epoxy hybrid composites

Though unidirectional, short, and laminated hybrid composites have been extensively investigated because of their wider range of properties than non-hybrid composites, literature on three-dimensional (3-D) braided hybrid composites is very limited. In this work, Kevlar fibers were hybridized to carbon fibers to prepare 3-D carbon/Kevlar/epoxy composites with various carbon to Kevlar fiber volume ratios in an attempt to find alternative materials for osteosynthesis devices. The flexural, shear, and impact properties of the 3-D braided hybrid composites were measured in order to investigate the effect of carbon to Kevlar ratio and evaluate hybrid effects. In addition, residual flexural strength was tested for the impacted samples and the damage tolerance was assessed. Our experimental results revealed the existence of positive hybrid effects on the shear and flexural strengths flexural strain for the 3-D braided composites. The absorbed energy and flexural strength retention of the 3-D braided hybrid composites were found to decrease with relative carbon fiber content. It was shown that hybridizing ductile 3-D braided Kevlar fabric with stiff carbon fabric could result in the hybrid composites with flexural strength comparable to the all-carbon composite and impact damage tolerance superior to the all-Kevlar composite.     

三维编织碳复合材料的制备及其力学性能研究

采用真空辅助RTM工艺制备了三维编织碳纤维增强环氧树脂(C3D/EP)复合材料,通过对树脂的粘度特性和固化特性的分析,确定了最佳的工艺参数.金相显微镜对复合材料微观结构的观察表明树脂对纤维的浸润良好.同时,还研究了该工艺制备的C3D/EP复合材料的力学性能,结果表明随着纤维体积比的增加,复合材料的硬度、弯曲强度和冲击强度均提高,断口的扫描电镜观察表明复合材料的破坏方式是以脆性断裂为主.     

三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩性质的温度效应

采用实验和有限元方法,研究了三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料在低温场（20、0、-50、-100℃）中横向压缩性质温度效应。研究结果表明：温度对碳纤维/环氧树脂横向压缩模量、屈服应力及切向模量均有不同程度影响。三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩后,试样表面形貌受温度影响显著。低温场中,表面鳞纹现象减弱,且纱线-树脂间界面出现开裂。温度降低导致碳纤维/环氧树脂内部产生热应力。热应力对碳纤维/环氧树脂力学性能影响有限,不是温度效应的主导因素。基体性质随温度变化是三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩性质温度效应的主要机制。     

不同热氧环境对T800碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响EI北大核心CSCD

不同热氧环境(70,130,190℃)对碳纤维复合材料的性能有着重要的影响。分析了不同热氧环境下T800碳纤维/环氧树脂复合材料的失重特性,并对比了老化前后的表面形貌、红外光谱、动态力学性能和层间剪切性能。结果表明:在热氧老化初始阶段,质损率急速上升,老化温度越高质量损失越快;试样表面形貌随热氧温度的升高其破坏程度逐渐加剧,在190℃老化后,纤维表面树脂脱落严重,纤维与纤维之间出现裂缝空隙,无树脂填充,在此老化温度下,试样发生了不可逆化学变化;试样的玻璃化转变温度会随老化温度的升高而变大,但内耗呈现先降低后增大再降低的趋势,在70,130,190℃热氧老化后试样剪切强度分别提高6.0%,13.7%和2.1%。相关实验结果和实验现象可为后续研究新型国产T800碳纤维/环氧复合材料提供数据参考。     

热氧老化对长玻纤增强尼龙10T复合材料静动态力学性能的影响

通过熔融共混法制备出长玻纤增强尼龙10T（LGF/PA10T）复合材料,并且采用DSC、DMA、SEM和力学性能测试等方法研究了不同热氧老化时间对LGF/PA10T复合材料静、动态力学性能的影响,并对LGF/PA10T复合材料发生玻璃化转变时所需活化能进行了计算。结果表明:虽然在老化初期PA10T分子链之间会发生微交联,材料的刚性略有增加,但在整个老化过程中,分子链断裂、分子量下降起主导作用,在240℃下老化50 d后,LGF/PA10T复合材料的拉伸强度保持率、弯曲强度保持率、缺口冲击强度保持率分别为4.9%、6.3%、9.4%。随着老化时间的增长,玻纤与PA10T基体之间的界面粘接作用减弱,玻璃化转变温度和阻尼性能下降。活化能计算结果表明热氧老化能够改变PA10T分子链的活动能力,降低了LGF/PA10T复合材料的热稳定性。      

T700碳纤维增强环氧树脂基复合材料自然老化性能与机制

为验证复合材料的耐久性,对T700碳纤维增强环氧树脂基复合材料经自然老化后的微观形貌、表面元素含量、热性能与力学性能等进行了研究。结果表明: 在光氧老化与热氧老化的共同作用下,T700碳纤维增强EP-A环氧树脂基（T700/EP-A）复合材料表层树脂将发生老化降解,并且随自然老化时间的延长,T700/EP-A复合材料的玻璃化转变温度逐渐降低,未老化试样的玻璃化转变温度为207℃,经过自然老化处理3年后,其玻璃化转变温度降低为180℃,延长自然老化时间至5年时,其玻璃化转变温度进一步降低至172℃。而自然老化过程对复合材料力学性能可能同时存在着增强效应与损伤效应,因此造成了T700/EP-A与T700/EP-B复合材料的不同力学性能表现出相异的变化趋势。随自然老化时间延长,T700/EP-A与T700/EP-B复合材料纵向拉伸强度表现出先升高后降低的趋势,纵向弯曲强度表现出逐渐升高的趋势,纵向压缩强度与层间剪切强度存在波动,未呈现出明显变化。      

Mechanical and thermal characterization of epoxy composites reinforced with random and quasi-unidirectional untreated Phormium tenax leaf fibers

The present work investigates tensile and flexural behavior of untreated New Zealand flax (Phormium tenax) fiber reinforced epoxy composites. Two series of laminates were produced using the same reinforcement content (20 wt%), arranged either as short fibers or quasi-unidirectional ones. Composites reinforced using quasi-unidirectional fibers showed higher modulus and strength both in tensile and flexural loading, when compared to neat epoxy resin. Short fiber composites, although still superior to epoxy resin both for tensile and flexural moduli, proved inferior in strength, especially as concerns tensile strength. These results have been supported by scanning electron microscopy (SEM), which allowed characterizing fiber–matrix interface, and by acoustic emission (AE) analysis, which enabled investigating failure mechanisms. In addition, thermal behavior of both untreated phormium fibers and composites has been studied by thermogravimetric analysis (TGA), revealing the thermal stability of composites to be higher than for phormium fibers and epoxy matrix alone.