面向3D打印的连续碳纤维上浆工艺及其对复合材料性能的影响

对连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTPCs)进行3D打印能够实现无模具快速制造,扩展增材制造的实际应用。为进一步提高3D打印连续碳纤维增强复合材料制件的性能,采用热塑性上浆剂对干碳纤维进行上浆处理,以尼龙6(PA6)为基体打印连续碳纤维增强复合材料,对比了上浆前后碳纤维表面性质及复合材料力学和界面性能。结果表明,上浆后碳纤维表面极性官能团增加,纤维与树脂浸润性改善;纤维表面粗糙度增加,纤维与树脂的机械结合力增强;上浆后碳纤维增强PA6复合材料较原始碳纤维增强PA6复合材料层间剪切强度提高42. 2%,层间结合增强,弯曲强度提高了82%,弯曲模量提高2. 46倍; 3D打印的上浆后碳纤维增强PA6复合材料试样断面上有明显纤维拔出现象,界面性能显著改善。     

碳纤维增强尼龙1010的力学性能及其对摩擦磨损的影响

用碳纤维填充尼龙1010制备了碳纤维增强尼龙复合材料,并对碳纤维增强尼龙复合材料的力学性能和摩擦学性能进行了实验研究。力学实验结果表明:碳纤维增强使尼龙复合材料的拉伸强度、表面硬度增大,碳纤维增强尼龙材料的拉伸强度在20%碳纤维含量时达到最大值;碳纤维表面处理对尼龙复合材料的拉伸强度有很大影响,碳纤维表面氧化处理提高了碳纤维增强尼龙复合材料的拉伸强度。摩擦磨损实验表明:碳纤维增强尼龙复合材料的摩擦系数和磨损率与其拉伸强度和硬度有密切关系。随着拉伸强度和硬度的提高,尼龙复合材料摩擦系数和磨损率降低;摩擦系数和磨损率与拉伸强度具有反比关系,与材料硬度具有二次方程关系,与碳纤维填充量之间存在负指数变化规律。      

表面处理对碳纤维及其复合材料性能的影响

用去离子水超声、浓硝酸浸泡、浓硝酸超声等对碳纤维进行表面处理,研究了表面处理对碳纤维的微结构、表面化学组成、相结构、复丝拉伸强度、以及改性碳纤维增强环氧树脂复合材料的结构和力学性能的影响。结果表明:硝酸氧化和超声处理对碳纤维表面进行了有效改性,其中硝酸处理使碳纤维表面粗糙度和含氧官能团数量显著增大,超声处理使碳纤维获得良好的分散性并使碳纤维比表面积和含氧官能团增加。硝酸氧化与超声空化相结合强化了碳纤维表面的氧化和刻蚀作用,从而增强了碳纤维与树脂基体界面之间的"机械锚定"和化学键合作用,使碳纤维与树脂之间的界面结合强度得以有效提高,从而显著提高了复合材料的力学性能。     

碳纤维表面生长碳纳米管及其增强复合材料性能的研究

通过电化学阳极氧化法改性碳纤维表面,利用浸渍法在连续的碳纤维表面加载了均匀的催化剂前驱体涂层,并通过化学气相沉积法(CVD)在碳纤维表面催化生长了均匀、规整的碳纳米管。利用场发射扫描电镜(FESEM)研究了电化学氧化电流强度对碳纤维表面加载催化剂颗粒的形貌与碳纤维表面催化生长碳纳米管形貌的影响,发现最佳的电化学氧化电流强度为0.4 A;Co作为催化剂时,500℃气相沉积10min后制备的复合材料层间剪切强度与未做任何处理的碳纤维及脱浆后的碳纤维作为增强体时相比,分别提高了11.0%与26.5%。     

电化学氧化/硅烷偶联剂处理碳纤维表面增强聚氨酯基复合材料的性能研究

通过两步法制备了改性碳纤维/聚氨酯复合材料。探究了电化学氧化处理法与表面涂层法相结合的一种新型改性方法对碳纤维增强聚氨酯基复合材料性能的影响。通过对碳纤维进行电化学氧化在表面引入含氧官能团,改善碳纤维表面活性。随后向电化学氧化改性的碳纤维施加硅烷偶联剂溶液,在修复碳纤维表面损伤的同时通过化学反应将碳纤维与聚氨酯桥接在一起,提高碳纤维与聚氨酯界面结合性能。结果表明：经电化学氧化/硅烷偶联剂处理后的复合材料对比原始碳纤维聚氨酯复合材料及仅电化学氧化碳纤维聚氨酯复合材料抗拉性能分别提高了83.5%与73.5%,力学性能提升显著。     

硅烷偶联剂对电子束固化碳纤维复合材料界面的增效研究

根据碳纤维表面的特点及其复合材料中树脂基体进行电子束固化的机理,对碳纤维表面进行预氧化以提高碳纤维表面含氧宫能团的含量,利用偶联剂的化学架桥作用对电子束固化复合材料界面进行了增效研究.采用X射线光电子能谱(XPS)对处理后碳纤维表面化学成分进行了分析,并采用层间剪切强度对电子束固化复合材料界面粘合性能进行了评价.结果表明,碳纤维表面的含氮官能团使电子束固化复合材料中碳纤维与环氧树脂基体之间的粘合强度减弱,偶联剂与预氧化碳纤维表面进行了强相互作用,使电子束固化复合材料层间剪切强度得到提高.     

硅烷偶联剂对电子束固化碳纤维复合材料的增效研究

根据碳纤维表面的特点及其复合材料中树脂基体进行电子束固化的机理,对碳纤维表面进行预氧化以提高碳纤维表面含氧官能团的含量,利用偶联剂的化学架桥作用对电子束固化复合材料界面进行了增效研究。采用X射线光电子能谱（XPS）对处理后碳纤维表面化学成分进行了分析,并采用层间剪切强度对电子束固化复合材料界面粘合性能进行了评价。结果表明,碳纤维表面的含氮官能团使电子束固化复合材料中碳纤维与环氧树脂基体之间的粘合强度减弱,偶联剂与预氧化碳纤维表面进行了强相互作用,使电子束固化复合材料层间剪切强度得到提高。     

电化学处理对碳纤维表面加载碳纳米管的影响机理

利用电化学阳极氧化法改性碳纤维表面,开发了在连续碳纤维表面简单、高效、均匀地加载催化剂涂层的工艺。通过系统研究电化学改性强度对碳纤维表面物理与化学特性、催化剂颗粒与CNTs形貌、多尺度增强体拉伸强度及其增强复合材料层间剪切强度的影响,优化了碳纤维表面电化学改性工艺。结果表明:催化剂颗粒的形貌与分布不仅影响碳纤维表面沉积的CNTs的形貌,而且影响最终碳纤维表面生长CNTs多尺度增强体及其复合材料的力学性能。     

表面改性对Cf/HA-PMMA混杂生物复合材料的结构及性能的影响

采用原位合成与溶液共混相结合的方法,制备了短切碳纤维(C_f) 增强纳米羟基磷灰石(HA)-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)生物复合材料。重点研究了短切碳纤维和纳米HA粒子表面改性前后对C_f/HA-PMMA复合材料微观结构和力学性能的影响。采用XRD、FTIR、XPS和SEM等对纳米HA粒子、碳纤维和复合材料的组成结构及断面的微观形貌等进行测试和表征,使用万能材料试验机测试其弯曲、压缩性能。结果表明：经表面氧化的碳纤维和用卵磷脂改性后的纳米HA与PMMA基体的界面结合性明显得到改善;采用卵磷脂表面改性后的纳米HA及表面预氧化后的碳纤维制备的C_f/HA-PMMA复合材料的弯曲性能得到显著提高,与采用未表面改性纳米HA和未表面氧化碳纤维所制备的C_f/HA-PMMA复合材料相比,弯曲、压缩强度和弹性模量分别提高1.6倍、2倍和4.3倍。     

碳纤维表面结构对复合材料吸湿性能的影响

通过改变阳极氧化处理程度得到了具有不同表面结构的碳纤维, 然后将其与环氧树脂加工成碳纤维/树脂基复合材料, 研究了碳纤维的化学结构与湿热环境下复合材料吸湿之间的关系。结果显示: 阳极氧化处理后碳纤维表面的活性显著提高, 碳纤维表面含氧官能团的含量大幅增加, 尤其是-OH由处理前18.62%提高到处理后的34.84%。随着湿热处理条件的改变, 复合材料的吸湿机理也有所差异, 且温度是影响复合材料吸湿的重要因素。碳纤维表面活性越高, 复合材料达到吸湿平衡时的平衡吸湿量越大, 而平衡吸湿量的增加又会导致复合材料层间剪切强度(ILSS)下降幅度增大。     

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。      

单向连续碳纤维-玻璃纤维层间混杂增强环氧树脂基复合材料的力学性能

为了研究连续单向纤维的层间混杂方式对复合材料力学性能及破坏方式的影响,采用碳纤维-玻璃纤维体积比为1∶1,以拉-挤成型法制备了具有不同层间混杂结构的连续单向纤维增强环氧树脂基复合材料,并研究了不同层间混杂结构的连续单向碳纤维-玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能及破坏形式。结果表明：具有层间混杂结构的复合材料抗拉强度处于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料之间,复合材料的拉伸断裂方式为劈裂;具有层间混杂结构的复合材料的层间剪切强度均优于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料,复合材料的剪切断裂方式为层间断裂。     

连续纤维增强树脂复合材料纵向压缩强度预测模型的发展及其影响因素

基于高强、高韧、高模和压拉平衡为特征的第三代先进复合材料的需求,综述了连续纤维增强树脂复合材料纵向压缩强度预测模型的发展历程。基于纤维微屈曲、纤维扭结带、联合预测模型及渐进损伤失效模型,分别讨论了连续纤维增强树脂复合材料压缩失效机制,并在联合预测模型基础上,探究了碳纤维（直径、模量、体积分数、初始偏角）、树脂基体（弹性模量、剪切模量）及纤维/树脂界面三要素对连续纤维增强树脂复合材料纵向压缩强度和压缩失效形式的影响。      

Comparative study on tensile fracture behavior of monofilament and bundle C/C composites

Strength controlling factors in C/C composites were experimentally examined using monofilament fiber reinforced C/C composites and those reinforced by one carbon fiber bundle. Tensile strength of the monofilament C/C composites was almost the same level with that of the carbon fiber. This result indicated that carbon fibers in the C/C composites were intact even after the processing. On the other hand, remarkable reduction was observed in the bundle C/C composites. It was indicated that the fracture of the C/C composite is dominated by the brittle fracture of the sub-bundles, in which the fiber/matrix interface is bonded well.     

碳纤维连续镀镍生产工艺及其屏蔽复合材料

为了提高碳纤维镀镍工艺的生产效率以及对填充复合型电磁屏蔽材料的开发,使用自行研发的碳纤维(CF)连续电镀镍生产设备生产镀镍碳纤维(Ni-CF),并制备了镀镍碳纤维增强丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)复合材料(Ni-CF/ABS),研究了偶联剂对复合材料力学性能的影响,以及纤维金属化及纤维含量对复合材料电磁屏蔽性能的影响。结果表明,偶联剂使复合材料具有更好的力学性能,拉伸和弯曲强度分别达到41 MPa和61.4 MPa。纤维质量分数为12%时,复合材料达到最佳的电磁屏蔽效能。     

石墨化度及纤维含量对C/C复合材料性能的影响

以短切高模炭纤维为增强体.制备C/C复合材料,并采用XRD、SEM等方法研究了纤维体积含量和石墨化度对复合材料性能的影响.结果表明:当短切高模炭纤维体积含量小于7%时,随着炭纤维体积含量增加,C/C复合材料的力学性能逐渐升高,高于7%时力学性能降低;随着石墨化度提高,C/C复合材料的力学性能显著降低,短切高模炭纤维增强作用下降;C/C复合材料的石墨化度对电阻率影响大,纤维体积含量对电阻率几乎没有影响;C/C复合材料的石墨化度对材料的抗氧化性影响显著.     

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。      

不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究

为了研究孔隙率对织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板静态力学性能的影响规律,分别测量了孔隙率为0.33%至1.50%的CFRP层合板的弯曲强度和层间剪切强度,并进行有限元模拟.在适用于复合材料单向板的改进Hashin失效准则基础上,建立了适用于织物纤维增强复合材料静态力学强度的失效准则.通过引入复合材料基本强度参数预测不同孔隙率CFRP层合板的力学性能,结合刚度突然退化模型,采用ABAQUS软件建立了有限元模型.试验结果表明,随着孔隙率的增加,复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度均呈下降趋势.有限元模型较为准确地预测了不同孔隙率织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度.     

碳纤维增强聚醚砜的工艺、性能和断裂形貌研究

本文介绍了连续碳纤维增强聚醚砜复合材料(CF/PES)的制造工艺与性能.阐述了一种改进的连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的制造方法,给出了CF/PES复合材料的最佳模压成型工艺条件,制得了低孔隙率、高机械性能的复合材料.最后,分析了CF/PES的断裂模式和断口形貌.