高刚度环氧树脂与高模碳纤维的界面相容和性能匹配

自行开发了一种高刚度环氧树脂（5182树脂）,研究了5182树脂的增刚机制、耐热性能和力学性能。结果表明,原位生成的酰亚胺刚性链段及增加的多交联位点提高了5182树脂交联网络的刚性,其玻璃化转变温度达228℃,拉伸模量达到4 375 MPa。采用高刚度5182树脂制备了国产BHM3和东丽M40J高模碳纤维增强高刚度环氧树脂复合材料,考察了高模碳纤维/高刚度环氧树脂单丝复合材料的界面黏结性能和断面微观形貌,并评价了高模碳纤维/高刚度环氧树脂单向复合材料的宏观力学性能。结果表明,由于树脂模量的提高及界面破坏区域由碳纤维表面转移到环氧树脂区,高模碳纤维/高刚度环氧树脂复合材料的界面剪切强度最高达106.8 MPa,宏观力学性能优异,尤其弯曲性能和层间剪切强度大幅提高。      

HKT800碳纤维/AG80环氧树脂复合材料制备及性能

对HKT800碳纤维表面形貌、元素、官能团等进行了表征分析;对AG80环氧树脂配方体系进行了优化;然后对HKT800碳纤维/AG80环氧树脂复合材料的力学性能及界面情况进行了测试分析。结果表明,HKT800碳纤维具有比较高的表面活性,表面元素的O/C、N/C比例分别达到了25.2%,4.5%,活性与非活性碳原子之比达到0.91;质量比为100∶30∶3时,AG80/DDS/BF3·MEA树脂体系能够在150℃的工艺条件下固化;HKT800碳纤维/AG80环氧树脂复合材料0°拉伸、弯曲和压缩强度分别达到2 682,1 874和1 639 MPa,层间剪切强度为110 MPa。     

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。     

高模碳纤维细观力学分析

将碳纤维视为由微晶和无定型碳所构成的二相复合材料,以Mori-Tanaka方法研究了碳纤维微观结构对弹性模量的影响。对四种高模碳纤维M35JB、M40JB、M46JB及M55JB的微观量进行了测量。微晶的长细比由XRD实验测得,碳纤维石墨化程度由拉曼光谱分析得到。影响碳纤维弹性模量的因素包括:微晶的长细比、体积分数及取向度。通过计算细观力学模型得到了四种高模碳纤维的微晶体积分数。研究发现:碳纤维石墨化程度越高,微晶体积分数越大。碳纤维弹性模量随着微晶取向度、体积分数和长细比的增加而增加,且对这三种因素做了比较,微晶取向度和体积分数对弹性模量的影响高于微晶长细比对弹性模量的影响,只有当微晶取向度接近100%时,其对弹性模量的影响才有可能被微晶长细比超越。微晶取向度和体积分数增加的最初阶段,取向度对弹性模量的影响较大,随着两影响因素的增加,取向度对弹性模量的影响最终被体积分数超越。     

PAN基碳纤维微晶结构对拉伸强度的影响

碳纤维由微晶和非晶碳所构成。利用X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)研究聚丙烯腈(PAN)基碳纤维微晶结构对拉伸强度的影响机理。结晶度、石墨化程度、微晶无序化程度、微晶尺寸都对拉伸强度有显著影响。结晶度、石墨化程度越大,微晶无序化程度越小拉伸强度越大。微晶尺寸越大拉伸强度越小。比较T300和T700,结晶度、石墨化程度的增加,微晶无序化程度的减小所导致的拉伸强度增量大于微晶尺寸增加所导致的拉伸强度减小量,从而使得T700的拉伸强度大于T300的拉伸强度,同理可知T800的拉伸强度大于T700的拉伸强度。比较M35J和M40J,结晶度、石墨化程度的增加,微晶无序化程度的减小所导致的拉伸强度增量小于微晶尺寸增加所导致的拉伸强度减小量,从而使得M40J的拉伸强度小于M35J的拉伸强度,同理可知M46J的拉伸强度小于M40J的拉伸强度。M35J,M40J和M46J内的较大的微晶对拉伸强度的影响起决定性作用。     

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。     

高模高强碳纤维国产化技术开发取得重大突破

<正>近日,由北京化工大学承担的北京市科委新材料专项课题"M40J高模高强碳纤维国产化制备技术研发"顺利通过专家验收。碳纤维是国防工业武器装备和国民经济的高端装备、重大基础工程、交通运输、新能源等领域的关键原材料之一,M40J高模高强碳纤维是支撑航天技术发展的重要结构材料。该课题突破了国产M40J级高模高强碳纤维石墨微晶叠层厚度的调控、原丝牵伸匹     

碳纤维与环氧树脂润湿和黏附作用

对比分析了不同类型碳纤维与环氧树脂的接触角的变化规律, 并利用Young-Dupre法和Wu法, 分析了黏附功随温度的变化规律, 以及树脂固化对纤维/树脂润湿、黏附作用的影响。结果表明: 升高温度有利于T300、CCF、T700纤维和环氧AG80树脂的润湿, 去除纤维表面上浆剂后其表面能极性分量下降, 与AG80树脂的润湿和黏附性能变差; 在树脂体系未发生化学反应前, AG80/DDS树脂体系比AG80纯树脂与T700纤维的润湿性能好, 黏附性能差; 110 ℃恒温条件下随固化时间延长, AG80/DDS和E51/DDS树脂体系与T700纤维的浸润和黏附性能均改善。      

国产高性能碳纤维表征分析及复合材料力学性能研究EI北大核心CSCD

采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱仪(XPS)表征国产T800级碳纤维A和东丽T800H碳纤维的表面形貌与表面化学特性,对两种碳纤维增强高韧性环氧树脂基复合材料的力学性能进行研究。结果表明,碳纤维表面特性对复合材料界面性能具有显著影响;国产碳纤维A的表面粗糙度和表面化学活性均与东丽T800H碳纤维较为接近,室温条件下两种碳纤维复合材料的界面性能基本相当,说明国产碳纤维复合材料M-A具有良好的界面性能;在130℃湿态条件下,国产碳纤维复合材料M-A的层间剪切强度和90°拉伸强度保持率均略高东丽碳纤维复合材料M-T800H,说明国产碳纤维复合材料M-A的湿热性能良好。     

等离子体处理对国产高强碳纤维复合材料界面性能影响研究

在100W功率条件下，用氧等离子体对国产T800级碳纤维进行处理，通过扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱、单丝拉伸强度测试等方法对处理前后碳纤维表面物理化学特性进行表征，采用微脱粘方式研究了等离子体处理前后碳纤维环氧树脂复合材料界面的结合性能。结果表明：等离子体处理使碳纤维表面发生明显刻蚀，显著地提高了其表面化学活性；处理时间为3min时，碳纤维力学性能未发生降低，而其复合材料界面剪切强度值(IFSS)可达最高的88.61MPa,相比于未处理碳纤维复合材料而言，IFSS增幅为97.39%。     

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。     

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。      

基于纤维束/环氧树脂复合材料试验的单向层合板横向拉伸强度预测方法

实验研究表明,纤维束/环氧树脂复合材料试件的横向拉伸强度与工程上常用的单向层合板横向拉伸强度在趋势上具有很好的相关性,但是数值上存在一定差距。本文使用两种碳纤维和两种环氧树脂制备了三种纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板,并分别测量了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度,以及环氧基体的拉伸强度。在实验基础上,应用Griffith断裂强度理论建立了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度的关系模型,通过两种复合材料实验的结果拟合了该模型中的参数。利用第三种复合材料实验进行校验,发现该模型预测的单向层合板横向拉伸强度与实测强度之间达到很好的一致性,相对偏差为9%。采用本文提出的方法,可以用较为简单的纤维束/环氧树脂复合材料和环氧基体拉伸试验预测单向层合板的横向拉伸强度。     

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。      

激光改性纤维对其增强环氧树脂复合材料力学性能的影响

利用激光对玻璃纤维、玄武岩纤维和碳纤维进行表面改性后,以环氧树脂为基体,分别制备三种纤维增强环氧树脂复合材料。利用SEM和万能试验机对表面改性前后的碳纤维形态、力学性能及三种纤维/环氧树脂复合材料的力学性能和断面形貌进行表征,研究了纤维激光表面改性对三种纤维及其增强环氧树脂复合材料力学性能的影响。结果表明:激光表面改性对碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能提升最高,其拉伸强度最大提高了77.06%,冲击强度最大提高了31.25%,玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的力学性能提升次之,而玻璃纤维/环氧树脂复合材料的力学性能有所下降。因此,激光进行表面改性适用于碳纤维和玄武岩纤维。     

静电植绒法处理多壁碳纳米管改性玻纤织物/环氧树脂复合材料的制备及力学性能

为提高玻纤增强环氧树脂复合材料的力学性能,采用静电植绒法将多壁碳纳米管(MWCNTs)附着在玻纤织物表面,得到改性的玻纤织物。利用一种低黏度的环氧树脂和所制得的改性织物,采用真空辅助成型工艺(VARI)制备了MWCNTs改性格玻纤织物/环氧树脂复合材料层合板,表征了层合板的力学性能。对进行力学实验后的MWCNTs改性玻纤织物/环氧树脂复合材料试样断口进行了SEM和OPM观察。结果显示:与未添加MWCNTs的玻纤织物/环氧树脂复合材料层合板相比,添加了MWCNTs的层合板的拉伸强度降低了10.24%,弯曲强度降低了13.90%,压缩强度降低了17.33%,拉伸模量和弯曲模量分别提高了19.38%和16.04%,压缩模量提高了13%;MWCNTs与玻纤织物之间的结合较弱,在拉伸作用下,存在明显的脱粘和分层;将改性玻纤织物在200℃下热压处理2h后,制备的MWCNTs改性玻纤织物/环氧树脂复合材料层合板的力学性能均有所提高,热压处理后树脂与玻纤织物之间的界面结合得到改善。     

磨碎玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的制备及力学性能研究

用硅烷偶联剂对磨碎玻璃纤维表面进行改性,并制备玻璃纤维/环氧树脂复合材料,采用超声分散对复合材料分散处理,探讨不同磨碎玻璃纤维粉质量比对环氧树脂基复合材料压缩、拉伸性能的影响。研究表明,添加磨碎玻璃纤维后,环氧树脂的强度和硬度显著增强。当磨碎玻璃纤维掺量在15%~25%之间时,复合材料的综合力学性能最好,其压缩强度、压缩模量、拉伸强度最高达到67.1 MPa、1.68 GPa、57.6 MPa,与纯环氧树脂相比提高了24%、35%、34%;断裂伸长率随着掺量的增加逐渐降低,当含量达到30%时比纯环氧树脂的降低了48%,表明添加玻璃纤维粉后环氧树脂脆性增强。目数小粒径较大的玻璃纤维粉对环氧树脂力学性能增强效果更优,但影响程度不如含量对复合材料力学性能的影响大。