聚酰亚胺纤维复丝拉伸性能测试影响因素的研究

采用TG、DSC和万能材料试验机对聚酰亚胺纤维浸胶复丝拉伸性测试方法进行了研究。考察了不同测试条件下,聚酰亚胺纤维拉伸强度、表观拉伸弹性模量和断裂伸长率的变化规律。研究结果表明,聚酰亚胺纤维的拉伸性能样品制备条件有很大关系,影响因素包括含胶量、固化张力和胶液种类。含胶量低于40%时,纤维力学性能比正常值低。制样时施加适当的固化张力可得到较高的拉伸性能。对比环氧E51和E44两种树脂两种固化体系,采用E51的拉伸强度和断裂伸长率更大。加载速率低于80mm/min时,其对拉伸性能几乎没有影响。     

碳纤维复丝的拉伸性能

根据GB/T 3362-2005选用环氧树脂E44和E51两种常用固化体系,测试了不同规格碳纤维的拉伸性能。结果表明:在胶液种类、胶液浓度、固化温度、固化张力、含胶量、加载速率和应变限等制样和拉伸测试条件一定的前提下,拉伸性能的测试数据仍然在一定范围内波动,分析其原因认为是碳纤维复杂的制备工艺导致其产品性能存在波动;当固化时间不小于30min树脂完全固化时,固化体系种类与固化时间对碳纤维拉伸性能测试结果的影响较小;两种树脂固化体系得到的拉伸性能数据具有一定的可比性;碳纤维属于脆性材料,用测得的拉伸强度与模量依据虎克定律推算得到断裂伸长率的方法合理可行。     

制样工艺对国产高强高模碳纤维复丝拉伸性能的影响

采用拉伸试验、扫描电镜(SEM)分析、差示扫描量热仪(DSC)分析等方法,研究了国产高强高模碳纤维复丝制样所用树脂体系、固化温度以及固化时间对其拉伸性能测试结果的影响。结果表明:国产高强高模碳纤维复丝的拉伸性能与制样树脂的固化程度相关,而与固化树脂体系关系不大,固化度在30%~70%时,树脂体系的固化度越高,复丝的拉伸性能越好;树脂体系的固化度与固化时间呈正相关的关系,复丝制样过程宜采用较低的固化温度和较长的固化时间来完成。     

碳纳米管加入方式对碳纤维/环氧树脂复合材料层间性能的影响

针对碳纤维/环氧树脂预浸料,对比了直接在树脂中加入碳纳米管(CNTs)后制备预浸料以及将CNTs喷涂在预浸料表面2种CNTs加入方式对CNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料层合板I型与II型层间断裂韧性及层间剪切强度的影响。通过对树脂黏度、固化反应以及玻璃化转变温度的考察,分析了CNTs含量对树脂性能的影响,考察了添加方法对CNTs长度与形态的影响。分析了2种CNTs加入方式对CNTs-碳纤维/环氧树脂层合板断裂韧性及层间剪切强度的改善效果与作用规律。结果表明:CNTs的加入使树脂的黏度提高,固化反应程度下降;2种分散方法对CNTs的长度与形态无明显影响;直接在树脂中加入CNTs对CNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料I型与II型层间断裂韧性的提高效果低于在碳纤维/环氧树脂预浸料表面喷涂CNTs的方式,后者的CNTs利用率较高;由于CNTs团聚及对树脂固化反应的影响,CNTs含量过高会使得其对CNTs-碳纤维/环氧树脂层合板的增韧效果下降。     

一种碳纤维预浸料维修补片的固化工艺与性能

碳纤维预浸料作为外场胶结维修补片的主要材料，其固化工艺将直接影响补片的微观结构和力学性能。针对一种碳纤维预浸料进行差示扫描量热测试，研究预浸料的固化反应特征温度和固化动力学参数，并对不同固化工艺的维修补片进行微观形貌分析和拉伸性能测试。结果表明，不同固化保温时间得到的试样样条拉伸性能有明显差别，且拉伸强度和弹性模量随固化保温时间的增加而增大，充分的固化使得试件性能变得更为均匀，但拉伸破坏应变保持不变。保温时间越长，随着固化度的增加，树脂和碳纤结合地更加良好，因此复合材料的拉伸性能更好。该碳纤维预浸料在温度436.4K条件下固化，并保温120min制作的维修补片具有最佳拉伸力学性能。     

关于炭纤维复丝拉伸性能测试的一些看法

通过对炭纤维复丝拉伸性能测试中所涉及的浸胶方式、加强片、含胶量、测试环境及设备、人员等因素进行分析,采用对比的方式进行测试结果总结发现,除纤维本身的不稳定影响炭纤维复丝拉伸性能之外,制样方法、人员操作、测试设备等均对其有着很大的影响,炭纤维复丝拉伸性能的测试需优化,避免误差的进一步产生.     

基于酚醛结构的聚三唑树脂及其复合材料

设计并合成了一类含酚醛结构的聚三唑（NPTA）树脂,研究了其流变性能、固化行为、耐热性等,考察了NPTA树脂作为复合材料基体的可用性。研究结果表明,NPTA树脂具有良好的可加工性能,可低温固化成型,起始固化温度低于80℃,反应活化能较低;NPTA树脂的主链结构对其流变性能、固化行为和交联反应活化能影响不大。NPTA树脂固化物的耐热性受交联结构影响,玻璃化温度可高达278℃。T700碳纤维增强NPTA树脂（T700/NPTA）复合材料的力学性能优异,常温弯曲强度大于1 590 MPa,150℃下弯曲强度保持率超过68.6%。     

纺丝工艺对T800碳纤维及其复合材料性能的影响

采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱仪(XPS)和表面接触角测量仪分别对湿法纺丝(T800HB)与干喷湿纺(T800SC)两种纺丝工艺制备的T800碳纤维表面状态进行表征和分析,采用万能材料试验机对二者的复丝、NOL环及单向板的力学性能进行对比研究。结果表明:湿法纺丝的T800HB碳纤维具有更粗糙的表面,而干喷湿纺T800SC碳纤维具有更高的表面活性,“化学活性”和“机械啮合”的共同作用使得两种碳纤维复合材料具有相近的层间剪切强度。但当复合材料发生破坏时,T800HB碳纤维与树脂间“机械啮合”的主导作用更显著,纤维/树脂结合更紧密,使得其复合材料的断裂呈脆性破坏模式,而T800SC碳纤维与树脂结合则稍弱,呈一定程度的韧性破坏模式。T800SC碳纤维比T800HB碳纤维具有更高的复丝拉伸强度,因而相应地,T800SC碳纤维复合材料NOL环和单向板均有更高的拉伸强度。因此,综合两种不同纺丝工艺碳纤维及其复合材料的力学性能和破坏形貌,相比于T800HB,T800SC碳纤维更适合作为缠绕成型复合材料的增强材料。     

弱电流对碳纤维/环氧树脂界面黏结性能的影响

针对碳纤维/环氧树脂体系,设计了在碳纤维单丝复合体系加载弱电流的方法,并通过单丝断裂实验,研究了弱电流对两种碳纤维/环氧树脂界面黏结性能的影响。结果表明:在0.60~0.67mA直流电加载一定时间后,T300B和T700SC碳纤维体系的界面黏结强度均下降,界面载荷传递效率降低,随着电流加载时间的延长,降低程度变化不明显;T300B碳纤维体系界面性能对弱电流的敏感性更高,可能与两种碳纤维的表面特性不同有关;通过对不同固化度试样加载弱电流后的界面性能进行分析,认为碳纤维/环氧树脂界面性能受弱电流影响的机理与界面区应力状态改变以及导电产生的焦耳热效应有关。     

电热载荷对碳纤维复丝拉伸性能的影响

由于复合材料具有组成多元、各向异性等特点,电热载荷作用下碳纤维复合材料内部的响应行为十分复杂。为了研究碳纤维复合材料的电热响应,首先采用自制电热损伤试验平台,测试了不同电流强度下碳纤维复丝试样的表面温度分布,获得了碳纤维复丝电阻随温度的变化规律,初步揭示了碳纤维复丝具有温敏效应。然后,考察了不同电流处理条件下碳纤维复丝拉伸强度、断裂伸长率和拉伸模量的变化规律,并运用SEM和FTIR对电流处理前后材料的形貌和微观结构变化进行了分析。研究结果表明:纤维在通电过程中的产热效应促进了基体的进一步固化,同时提高了复丝界面的粘结性能;然而,当电流强度过大时,复丝的拉伸强度会因纤维本体的损伤或基体及界面层的烧蚀破坏而降低,从而降低了碳纤维复合材料的性能。      

几种国产高模碳纤维特性实验分析

采用SEM、金相显微镜、AFM、XPS、XRD表征了3种国产（CCM40J,CCM40,CCM46J）和1种进口（东丽M40JB）高模碳纤维的表面特性及结晶结构,并对高模碳纤维与环氧树脂的微观界面及复丝力学性能进行了研究。结果发现:高模碳纤维的表面都存在明显沟槽,但表面粗糙度差异不大,均有圆形、腰果形、椭圆形等截面形状;表面主要含C、O、N、Si 4种元素,M40JB的O/C比和活性碳原子含量都高于国产高模碳纤维;按M40JB、CCM40J、CCM40、CCM46J的顺序,石墨微晶尺寸越来越大,石墨化程度增高,M40JB的取向度最小,CCM46J的取向度最大,而CCM40J与CCM40的取向度相近;表面能大小顺序为M40JB > CCM40 > CCM46J > CCM40J,80 ℃时与环氧树脂E51、固化剂4,4'-二氨基二苯砜（DDS）的树脂体系E51-DDS和4,4'- 二氨基二苯甲烷环氧树脂（AG80）、固化剂DDS的树脂体系AG80-DDS的动态接触角均在35°~50°之间,说明浸润性良好;CCM46J与E51-DDS的界面剪切强度（IFSS）最高,M40JB与AG80-DDS的界面剪切强度最高;国产3种高模碳纤维复丝的拉伸强度和拉伸模量都高于M40JB,其中CCM40J的拉伸强度最高,CCM46J的拉伸模量最高;所测高模碳纤维复丝的压缩强度能达到各自拉伸强度的44%~53%,CCM46J复丝的压缩强度最高。      

单丝断裂双树脂法研究碳纤维/环氧树脂界面粘结性能

建立了单丝断裂双树脂体系法, 利用外层树脂的韧性使包埋于内层脆性树脂中的纤维单丝断裂达到饱和, 解决了断裂伸长率较低的树脂基体采用传统的单丝断裂法无法测得界面剪切强度的问题。分别采用界面剪切强度和界面断裂能作为表征参量, 考察了干态及湿热条件下两种T300级和两种T800级碳纤维/环氧树脂的界面性能, 并与单丝断裂单树脂体系的界面性能进行比较。结果表明: 单丝断裂双树脂体系与单树脂体系在表征碳纤维/环氧树脂的界面性能上定性规律一致; 双树脂体系界面断裂能和界面剪切强度均可评价界面的耐湿热性能, 且二者得到的变化规律一致; 湿热处理后界面粘结性能均呈下降趋势, 国外碳纤维体系的界面耐湿热性能明显优于国产碳纤维体系。     

国产800级碳纤维表面状态及其复合材料界面性能EI北大核心CSCD

通过扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）、复丝拉伸法、单丝拉伸法及单丝断裂法对3种国产800-12K碳纤维表面状态及其复丝拉伸性能、单丝复合体系的界面性能进行系统分析与研究。结果表明：3种国产800级碳纤维表面均较为光滑,纤维的粗糙度为9-17nm,纤维表面含氧量较高且稳定,O/C在0.23~0.27之间;3种国产800级碳纤维复丝拉伸强度相当,质量控制稳定,断裂伸长率为1.9左右,纤维与树脂基体匹配性较好;3种国产800级碳纤维单丝拉伸强度不稳定,纤维的表面化学活性对纤维与树脂基体的界面结合强度影响显著。     

碳纤维表面状态对其复合材料界面性能的影响

为了研究上浆剂和湿热处理对复合材料微观界面性能的影响,通过单丝断裂实验测试去浆处理及湿热处理前后T300、T700SC、T800S碳纤维单丝/环氧树脂体系的界面剪切强度(IFSS),结合扫描电镜测试手段分析了纤维表面物理特性对IFSS的影响.结果表明:去浆及湿热处理均会引起三种单丝复合材料体系IFSS降低,断点形貌由X状向鞘状发生变化,但不同的单丝复合体系IFSS降幅以及断点形貌变化程度不同;去浆后,T700SC/环氧树脂体系IFSS降幅达70.67%,T300/环氧树脂体系仅下降6.05%;湿热处理72 h后,T300/环氧树脂体系IFSS下降幅度最小;湿热作用下,去浆后的单丝/环氧树脂体系IFSS的下降更为显著.     

Effect of long-term high-temperature atmospheric exposure on damage progress and mechanical properties for carbon fiber/polycyanate 90° unidirectional composites

This study focuses on the effect of long-term exposure to high-temperature atmosphere on mechanical properties of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) laminate with polycyanate resin system. Transversely oriented unidirectional laminate of carbon fiber/polycyanate (T700SC/FSD-M-08178) CFRP was employed on isothermal aging at 180 °C in air up to 4000 h. Matrix crack extension during isothermal aging was observed by soft X-ray radiography. Tensile and compressive tests were conducted on both non-aged and aged (500, 1000, 2000, and 4000 h) specimens with an acoustic emission (AE) measurement in order to evaluate mechanical properties and damage behavior due to thermo-oxidative degradation. After tensile tests, the fracture surface observation with a scanning electron microscopic (SEM) apparatus was also carried out to characterize damage extension due to thermo-oxidative degradation. The results show that thermo-oxidation induced matrix cracks preferentially in perpendicular area along the fiber direction and the matrix crack propagated along the fiber direction. Due to the crack onset, tensile strength was sharply dropped, even though compression strength was slightly changed. From the AE measurement result, the failure mode change was detected for the tension test. Comparing the soft X-ray radiography result with the SEM observation result, the fracture for tension test did not occur at the maximum crack length location for the longer thermo-oxidative aged specimen.     

T800碳纤维/9518氰酸酯复合材料的性能

通过差示扫描量热（DSC）法研究了9518氰酸酯的固化反应,制定了9518氰酸酯的固化工艺;通过动态热机械分析（DMA）测试、力学性能测试、金相显微镜和SEM等方法研究了T800碳纤维/9518氰酸酯复合材料的受热行为、力学性能、纤维微观形貌和界面特性。结果表明：9518氰酸酯的固化反应只有一个固化反应放热峰,其比较合理的固化工艺为130℃/0.5 h+160℃/0.5 h（加压合模）+200℃/2 h+230℃/2 h。T800碳纤维/9518氰酸酯复合材料的玻璃化转变温度为255℃,其各项力学性能比T700碳纤维/9518氰酸酯复合材料提高均大于10%,室温-湿态力学性能保持率大于83%,200℃的力学性能保持率大于60%。T800碳纤维不规则的截面和表面沿长度方向的沟槽有利于树脂与纤维间形成良好的结合界面。     

RTM快速成型环氧树脂时间-温度-转变图的构建及其碳纤维/环氧树脂复合材料评价

针对自行研制的树脂传递模塑工艺（RTM）快速成型环氧树脂,利用唯象动力学模型、DiBenedetto方程和凝胶模型研究了树脂体系的等温及非等温固化动力学,构建了时间-温度-转变（TTT）的关系图,表明树脂体系兼具较长的适用期与快速固化特性。以此设计RTM快速成型工艺,考察了树脂体系对碳纤维织物的浸润流动行为,并评价了快速成型碳纤维/环氧树脂复合材料的界面力学性能与微观形貌。结果表明,注射温度下树脂体系的浸润填充性良好,RTM快速成型碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能和内部成型质量较好。      

碳纤维/环氧树脂复合材料高速冲击性能

采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备碳纤维/环氧树脂复合材料,通过空气炮冲击实验研究树脂韧性和碳纤维类型对复合材料抗高速冲击性能的影响,并对高速冲击后的试样进行压缩性能测试,研究高速冲击损伤对复合材料剩余压缩性能的影响。结果表明:树脂的韧性可以降低复合材料遭受高速冲击时的内部损伤程度,大幅提高复合材料的抗高速冲击性能和冲击后剩余压缩性能;T700S碳纤维增强复合材料抗高速冲击性能优于T800H碳纤维增强复合材料;复合材料的破坏模式与冲击速率有关,冲击速率较低时,复合材料弹击面出现圆形凹坑,背弹面出现鼓包;冲击速率较高时,复合材料弹击面出现圆形通孔,背弹面出现沿纤维方向撕裂断口。     

苯并噁嗪-氨基稀释剂改性硅炔杂化树脂及其复合材料性能

采用氨基稀释剂(AD)和端乙炔基型聚苯并噁嗪(EB)树脂改性一种具有高力学性能的聚(间二乙炔基苯-二甲基硅烷)(PDMP)树脂。按照质量比PDMP∶EB∶AD=5∶1∶1进行共混后制备PDMP-EB-AD树脂。利用FTIR、DSC、介电分析仪(DEA)、TGA分析改性前后树脂的结构、黏度、固化过程和耐热性能变化。结果表明,AD与EB中的—NH₂和—C≡CH均参与进PDMP固化过程中,共混后PDMP-EB-AD树脂固化温度升高,黏度降低,热分解温度(T_d5)在N₂和空气下分别为539.5℃和518.7℃,1 000℃质量保留率分别为85.1%和18.1%。利用浸渍法将PDMP-EB-AD树脂与石英纤维(QF)制备成预浸料进行模压成型,制备的QF增强PDMP-EB-AD树脂(QF/(PDMP-EB-AD))复合材料力学性能极大提高,且树脂与纤维的黏结性得到改善。常温下QF/(PDMP-EB-AD)复合材料弯曲强度和层间剪切强度(ILSS)分别为694.5 MPa和41.9 MPa,较QF/PDMP复合材料分别提高了176.6%和96.7%,250℃时弯曲强度和ILSS达到319.5 MPa和20.11 MPa。