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.     

上浆剂对国产T700级碳纤维复合材料界面性能的影响

采用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等测试方法表征了上浆/未上浆国产T700级(MT700)碳纤维的表面特性,并通过单丝断裂实验测试了单丝复合体系微观界面剪切强度(IFSS),在此基础上研究了碳纤维表面特性对单丝复合体系微观界面性能及其耐湿热性能的影响.研究表明:MT700碳纤维表面上浆剂改善了纤维/基体微观界面强度及其耐湿热性能;湿热环境对复合材料的微观界面性能影响显著,尤其是造成纤维/基体间的化学键合作用破坏,去湿后部分界面性能可恢复.     

电热作用对碳纤维/树脂复合材料界面应力的影响电热作用对碳纤维/树脂复合材料界面应力的影响

碳纤维/树脂复合材料广泛应用于民用航空器结构中,在服役期间会受到复杂环境（湿热、腐蚀、复杂应力和电热作用等）的作用,低强度电流对碳纤维/树脂复合材料的影响受到的关注较少。以碳纤维/树脂复合材料为研究对象,根据碳纤维的温敏效应和通电时的电阻变化规律,计算出碳纤维单丝/环氧树脂复合试样的界面温度范围,之后采用拉曼光谱测试和单丝断裂实验研究了低强度电流对单丝复合体系界面应力和界面剪切强度的影响。结果表明:随着电流强度的提高,单丝复合体系的界面温度随之升高,电流为8 mA时,界面温度高达约200℃。随着电流强度的增大,单丝复合体系的界面压缩应力表现为先增大后减小的趋势,电流高于7 mA后,界面处树脂出现烧蚀降解破坏;单丝断裂实验结果表明随着电流强度增大,单丝复合体系的界面剪切强度呈现先升后降的趋势,在6 mA时界面剪切强度达到最大值62.39 MPa,而8 mA时界面剪切强度仅为34.95 MPa。      

单丝断裂能量法研究温度对碳纤维/环氧界面性能的影响

针对两种不同上浆剂碳纤维/高温固化环氧树脂体系, 采用基于WND(Wagner-Nairn-Detassis)能量模型的单丝断裂法, 测试分析了从室温到130 ℃范围内单丝复合体系界面断裂能的变化规律, 研究了碳纤维上浆剂对界面耐热性能的影响, 并结合复合材料层板的短梁剪切性能, 分析了微观和宏观界面性能的关联性。结果表明: 在测试温度范围内, 碳纤维/环氧体系的界面断裂能随温度升高呈先下降而后基本不变的趋势, 去除上浆剂后界面断裂能及其随温度的变化程度与未去除上浆剂的情况存在差异, 说明上浆剂对界面耐热性有重要作用。碳纤维/环氧树脂层板层间剪切强度随温度升高线性下降, 与界面断裂能的变化规律不一致, 这与两种测试方法的原理及界面破坏位置的不同有关。      

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.     

国产T800级炭纤维表面特性及其复合材料微观界面性能

采用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等测试方法表征了两种国产上浆/去浆T800级炭纤维的表面特性,并通过单丝断裂实验测试了单丝复合体系微观界面剪切强度(IFSS),在此基础上研究了炭纤维表面特性对单丝复合体系微观界面性能及其耐湿热性能的影响。结果表明:去浆后炭纤维表面含氧活性官能团含量降低,粗糙度增加,与基体树脂的界面结合强度增大;湿热环境对复合材料的微观界面性能影响显著,尤其是破坏了纤维/基体间的化学键合作用,但去湿后部分界面性能可恢复。     

偶联剂处理镀镍碳纤维/环氧树脂界面特性

采用硅烷偶联剂KH560对镀镍碳纤维进行偶联处理.通过扫描电镜、红外光谱、接触角测量和单丝复合体系多次断裂法测试研究对比偶联处理前后碳纤维的表面形貌、结构、润湿性能以及纤维/树脂体系的界面状态和粘结性能.结果显示:偶联处理后,镍镀层表面平整,羟基等表面极性基团增加,表面涂覆的KH560膜层完整;镀镍碳纤维/树脂界面的浸润性得到改善;镀镍碳纤维/环氧树脂的界面处没有气泡产生,断点两侧的脱粘现象减轻;单丝饱和断点数由46增加到65;镀镍碳纤维/环氧树脂的界面剪切强度由(34.87±2.23) MPa提高到(72.51±3.77) MPa.     

偶联剂处理镀镍碳纤维/环氧树脂界面特性

采用硅烷偶联剂KH560对镀镍碳纤维进行偶联处理。通过扫描电镜、 红外光谱、 接触角测量和单丝复合体系多次断裂法测试研究对比偶联处理前后碳纤维的表面形貌、 结构、 润湿性能以及纤维/树脂体系的界面状态和粘结性能。结果显示: 偶联处理后, 镍镀层表面平整, 羟基等表面极性基团增加, 表面涂覆的KH560膜层完整; 镀镍碳纤维/树脂界面的浸润性得到改善; 镀镍碳纤维/环氧树脂的界面处没有气泡产生, 断点两侧的脱粘现象减轻; 单丝饱和断点数由46增加到65; 镀镍碳纤维/环氧树脂的界面剪切强度由(34.87±2.23)MPa提高到(72.51±3.77)MPa。     

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。     

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.     

高性能有机纤维单丝复合体系界面粘结性能实验研究

采用单丝复合体系多次断裂法,通过对纤维单丝断点数的统计及其断点形貌的分析,考察了PBO纤维、芳纶Twaron纤维、超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)3种高性能有机纤维与韧性环氧基体的界面剪切强度;并对比考察了界面剪切强度与对应复合材料单向板层间剪切强度之间的关系;结合XPS、SEM等手段分析了有机纤维表面物理化学特性对界面剪切强度的影响。结果表明,Twaron/环氧的界面剪切强度高于PBO/环氧,UHMWPE/环氧的界面粘结弱,该方法不能测试;上述体系界面剪切强度与对应的复合材料单向板层间剪切强度变化趋势是一致的;表面化学活性高的纤维对应的界面剪切强度高。     

炭纤维特性与炭纤维/环氧树脂界面断裂能关联分析

采用基于WND(Wagner-Nairn-Detassis)能量模型的单丝断裂法,测试了5种国产炭纤维、2种国外炭纤维与航空结构用环氧树脂复合体系的界面断裂能,通过SEM,AFM,IR以及XPS等手段分析了7种炭纤维的表面物理化学特性,并研究了炭纤维特性与界面断裂能的关联。结果表明:对于所研究的炭纤维/环氧树脂体系,去除炭纤维表面上浆剂后界面断裂能下降,说明上浆剂可以在一定程度上提高界面的韧性。此外,实验范围内,纤维拉伸强度较高时,测得的界面断裂能较高,炭纤维表面粗糙度较高时,测得界面断裂能较高,说明纤维拉伸性能和表面粗糙度对界面韧性有重要影响,而与这两种因素相比,上浆剂的种类影响相对较小。研究结果为高性能国产炭纤维的研发和炭纤维/树脂匹配性的评价提供了重要的实验数据。     

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。     

Influence of ultrasonic treatment on the characteristics of epoxy resin and the interfacial property of its carbon fiber composites

To enhance the interfacial property between a carbon fiber and epoxy matrix, an ultrasonic technique was used to treat the resin liquid and the impregnated fibers respectively. The effects of the treatments on the characteristics of the resin system and the fiber surface, as well as fiber/matrix interfacial bonding strength, were analyzed and discussed. The results indicated ultrasonic treatments significantly decreased the viscosity and surface tension of the resin system, and increased the wettability and the oxygen content of the fiber surface due to the ultrasonic cavitation effects. Microbond tests revealed much more increase of interfacial shear strength when the ultrasound was applied to the impregnated fibers, and combination failures of interface and matrix layer were observed from the pulled-out fiber surface.     

海水环境下老化周期对T800碳纤维/环氧树脂复合材料的影响EI北大核心CSCD

研究T800碳纤维/环氧树脂基复合材料在海水环境中进行湿热腐蚀老化,将制备好的试件放置在人工制备70℃,3.5%NaCl溶液中腐蚀30,60,90 d,通过质量变化、老化前后表面形貌、红外光谱、动态力学性能、压缩实验和层间剪切实验分析材料的力学性能变化。结果表明:T800碳纤维/环氧树脂复合材料在3.5%NaCl溶液中吸湿率分别为0.39%,0.47%,0.53%;未老化试样纤维与基体之间黏结良好,在3.5%NaCl溶液老化后纤维与基体界面破坏随时间的增加老化更加严重;玻璃化转变温度T_(g)下降,分别在老化30,60,90 d后从189.16℃下降到177.54,171.88,168.06℃;经3.5%NaCl溶液老化后,老化30,60,90 d试样的最大破坏载荷分别降低3.2%,8.4%,15.3%,压缩强度分别降低3.0%,8.2%,15.9%;层间剪切最大破坏载荷分别降低3.0%,9.2%,14.9%,剪切强度分别降低3.0%,9.7%,16.4%。     

苯酚电聚合膜修饰炭纤维表面对 环氧基复合材料性能的影响

将连续炭纤维束用自制的空气梳分散成单丝状长带后, 通过采用循环伏安法的电化学方法将单体苯酚在炭纤维表面聚合成膜, 对炭纤维进行表面修饰, 以提高复合材料中炭纤维与树脂基体的界面粘结性能。红外光谱分析表明, 苯酚电聚合膜能够增加炭纤维表面的羟基、 醚键等活性官能团, 从而提高炭纤维与环氧树脂基体的界面粘结强度。与未进行表面修饰的炭纤维增强环氧树脂复合材料相比, 以聚苯酚膜修饰的炭纤维单丝带增强的环氧树脂基复合材料横向拉伸强度最大提高了90%, 纵向拉伸强度最大提高了45%, 层间剪切强度最大提高了110%。实验也表明, 将炭纤维束分散成炭纤维单丝带后能够更有效地增强复合材料的各项力学性能。      

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.