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。     

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.     

碳纤维复合材料界面性能评价方法研究进展

碳纤维增强树脂复合材料的界面性能对其力学性能起着决定性的作用,因而对复合材料的界面粘结性的研究非常重要。综述了用于评价碳纤维增强树脂复合材料界面性能的几种微观表征方法:单丝拉伸断裂法、纤维拔出法和纤维脱粘法。最后指出影响单丝拉伸断裂法测试结果的因素。     

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.     

国产T800碳纤维/双马来酰亚胺复合材料的界面及力学性能

分别采用日本东丽T800H和国产T800碳纤维作为增强体,采用热压罐工艺制备双马来酰亚胺树脂基复合材料。研究了2种碳纤维的表面物理和化学状态,复合材料的微观界面性能及力学性能。结果表明:国产T800碳纤维表面沟槽分布较多,表面粗糙度较高,有利于与树脂基体形成更好的物理结合作用。同时,国产T800碳纤维表面具有较多的含氧官能团,有利于与基体树脂形成更好的化学结合作用。因此,国产T800碳纤维的界面剪切强度较T800H碳纤维高约27%。国产T800/HT-280复合材料的力学性能均普遍高于T800H/HT-280复合材料,其中,90°拉伸强度高约25%,面内剪切强度、弯曲强度高约12%,层间剪切强度高约7%。      

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。     

碳纤维阳极氧化法处理对复合材料界面性能的影响

利用阳极氧化法对碳纤维进行表面改性处理,研究了碳纤维处理前后表面化学组成,纤维复丝拉伸强度和复合材料的层间剪切强度（ＩＬＳＳ）。结果表明,经阳极氧化处理碳纤维表面的含氧、含氮极性官能团数目增加,纤维复丝拉伸强度有所下降,复合材料的ＩＬＳＳ值提高。同时通过实验结果分析,阐明阳极氧化处理使复合材料界面性能改善的机理。     

国产T800碳纤维用氰酸酯树脂开发及其复合材料性能

基于飞行器减重对耐高温结构复合材料的应用背景,为了拓展国产T800碳纤维增强氰酸酯复合材料体系的应用,通过对国产T800碳纤维表面上浆剂的分析,开展适于国产T800碳纤维的氰酸酯树脂基体配方设计,研究国产T800碳纤维/氰酸酯复合材料的力学性能和耐热性能,分析树脂基体对复合材料界面性能的影响。结果表明:国产T800碳纤维表面上浆剂中含有环氧基团。配方优化后的氰酸酯树脂与国产T800碳纤维复合后,复合材料的室温-湿态力学性能保持率大于74.8%,200℃力学性能保持率大于57%,玻璃化转变温度为226℃,具有优异的热机械性能和界面性能。     

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。      

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。      

碳纤维复丝压缩性能测试方法

为准确测试碳纤维(CF)的压缩性能,针对浸胶固化的碳纤维复丝,设计了制样方法和测试夹具,建立了碳纤维复丝压缩性能测试方法。采用所建立方法对东丽T700SC等碳纤维进行压缩性能测试,研究了制样条件、测试条件及材料种类对碳纤维复丝压缩强度及破坏模式的影响,考察因素主要包括复丝胶含量、复丝浸胶固化的张力、预加载、测试段长度及树脂基体和纤维种类。结果表明:所建立的方法操作简单,测试结果分散性小;除预加载以外,所考察因素对测试过程及结果具有明显影响;当试样含胶量为30%~35%(树脂质量百分含量)、复丝浸胶的张力为10~15N、测试段长度为1.5mm时,环氧树脂浸渍固化的T700SC碳纤维复丝压缩强度测试结果最高,优化的测试条件对所考察的其他种类碳纤维复丝的压缩强度测试也适用;树脂的种类对复丝压缩强度有显著影响。     

Effect of electrophoretically deposited carbon nanotubes on the interface of carbon fiber reinforced epoxy composite

The interface between reinforcing fiber and matrix is a crucial element in composite performance. Homogeneous and interconnected carbon nanotubes (CNTs) were deposited onto the surface of carbon fibers to produce multiscale reinforcement by electrophoretic deposition (EPD). Single fiber tensile tests showed that the tensile strength and Weibull modulus of the resulting multiscale materials were increased by 16 and 41%, respectively. Compared with as-received carbon fibers, CNTs-deposited carbon fibers provided the decreased surface energy by 20% and the increased adhesion work by 22% using modified Wilhelmy method. Results from single fiber pull-out testing showed that a significant improvement (up to 68.8%) of interfacial shear strength was obtained for the composites containing by CNTs/Carbon fiber multiscale reinforcement. All results strongly suggest that EPD process can provide a feasible platform for improving interface properties of advanced composites.     

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。     

国产550级连续氧化铝陶瓷纤维的高温拉伸性能研究

氧化物陶瓷纤维具有优良的耐高温和抗氧化性能, 是航空航天领域用复合材料增强相的重要候选材料。高温拉伸性能是氧化物陶瓷纤维在极端环境应用的关键评价指标之一, 但相关报道较少。本工作研究了国产550级纤维的高温拉伸性能和热处理后的室温拉伸性能, 探讨了纤维的拉伸性能与其物相和显微结构的演变关系和内在机理, 并与Nextel 720和CeraFib纤维的高温拉伸性能进行了对比。结果表明, 国产SIC550纤维复丝和单丝在1100 ℃以下具有相对较高的拉伸强度和拉伸强度保持率, 由于纤维中无定形SiO₂的高温热稳定性较差, 对纤维1200 ℃以上的高温拉伸性能产生明显不利的影响; 通过在临界相转变温度(1300 ℃)对纤维进行热处理来形成莫来石相, 可在一定程度上改善纤维在1250~1400 ℃的高温拉伸性能。考虑到不同标距的影响, SIC550纤维在1100 ℃的高温拉伸强度(883 MPa)与Nextel 720 (1000 MPa)和CeraFib纤维(940 MPa)接近。     

碳纤维-玻璃纤维层内混杂单向增强环氧树脂复合材料拉伸性能

采用不同混杂比的碳纤维-玻璃纤维层内经向混编单轴向织物制备了混杂纤维增强环氧树脂复合材料, 研究了不同混杂结构和不同混杂比的碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料拉伸性能的变化及破坏形式。0°拉伸结果表明:同种混杂织物的不同混杂结构中, 碳纤维相对集中的完全对齐结构强度最高, 不同混杂比织物的完全对齐结构强度相当;碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的模量遵循混合定律。90°拉伸结果表明:纤维与树脂间的界面结合强度为碳纤维/树脂>玻璃纤维/树脂, 碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的强度、模量与材料厚度方向上界面的不同形式(单一或交替界面、碳纤维或玻璃纤维的分布位置等)有关, 与碳纤维的含量基本无关。      

Interfacial load transfer in carbon nanotube/ceramic microfiber hybrid polymer composites

Growing carbon nanotubes (CNTs) on the surface of fibers has the potential to modify fiber–matrix interfacial adhesion, enhance the composite delamination resistance, and possibly improve its toughness and any matrix-dominated elastic property as well. In the present work aligned CNTs were grown upon ceramic fibers (silica and alumina) by chemical vapor deposition (CVD) at temperatures of 650 °C and 750 °C. Continuously-monitored single fiber composite (SFC) fragmentation tests were performed on pristine as well as on CNT-grown fibers embedded in epoxy. The critical fragment length, fiber tensile strength at critical length, and interfacial shear strength were evaluated. Significant increases (up to 50%) are observed in the fiber tensile strength and in the interfacial adhesion (which was sometimes doubled) with all fiber types upon which CNTs are CVD-grown at 750 °C. We discuss the likely sources of these improvements as well as their implications.     

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。