东丽T800H与T800S碳纤维的微观结构比较

东丽T800H和T800S是分别采用湿纺和干湿纺制备的两种力学性能相近的碳纤维,为弄清不同纺丝方法对T800级碳纤维微观结构的影响,采用扫描电镜、X射线衍射仪、小角X射线散射仪和高分辨透射电镜对这两种碳纤维进行测试,比较其表面形貌、断口形状和形貌、石墨微晶结构和微孔结构等.研究结果表明,湿纺制备的T800H比干喷湿纺制备的T800S的表面粗糙、断口圆度差、原纤尺寸较大、石墨微晶致密度差且发育不完善、内部微孔尺寸大、石墨微晶条带韧性差,这正是T800H的拉伸强度和断裂伸长率不如T800S的重要微观结构因素,但T800H的石墨微晶取向度不如T800S,孔隙率略高于T800S.     

环氧改性水性聚氨酯上浆剂对碳纤维/氰酸酯树脂复合材料界面性能的影响

使用自行合成的环氧改性水性聚氨酯(EWPU)上浆剂对碳纤维进行表面处理,主要研究了EWPU上浆剂对碳纤维表面及碳纤维/氰酸酯树脂复合材料界面性能的影响。采用扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和静态接触角等表征方法对比研究了二次上浆处理前碳纤维(CF)和处理后碳纤维(MCF)的表面形貌、表面化学元素组成和浸润性的变化,并通过单纤维破碎实验和短梁剪切法,研究了EWPU上浆剂对碳纤维/氰酸酯树脂复合材料界面力学性能的影响。结果表明,经EWPU上浆处理后碳纤维表面O/C值增加了39.13%,表面活性官能团的含量增加了14.97%,碳纤维与树脂的初始和稳态接触角分别减小了19.41%和20.59%,碳纤维/氰酸酯树脂复合材料的单丝界面剪切强度和层间剪切强度分别增加了13.42%和14.29%。     

宇航级炭纤维评价表征

分析了世界各国高性能炭纤维评价表征研究现状,简要总结了中国高性能炭纤维评价表征的进展和存在的问题。介绍了航天领域对炭纤维"指纹"性指标、特征性指标、本征性指标、离散性指标和工艺性指标的评价要求。展望了中国高性能炭纤维评价表征研究发展方向。     

碳纤维束间的摩擦磨损特性

为了对碳纤维束的磨损程度进行定量分析以及探索碳纤维束间摩擦磨损机制,采用自制的摩擦模拟实验装置,研究了摩擦次数、加载力、摩擦角度对碳纤维束摩擦损伤的影响。通过对比摩擦前后碳纤维束的拉伸断裂强力、毛羽量和表面浆膜形态评价了其磨损程度。结果表明:随着摩擦次数、加载力的增大,碳纤维束的磨损程度逐渐加剧;当摩擦角度在90°~30°范围变化时,碳纤维束的拉伸断裂强力随着角度的减小而小幅度下降;而当摩擦角度为0°时,碳纤维束的拉伸断裂强力急剧下降。同时,结合纤维束接触理论和黏性薄膜压痕法揭示了碳纤维束摩擦损伤机制,发现有效接触面积的变化是导致碳纤维束磨损程度改变的主要因素,且纤维束间的有效接触面积随加载力的增大而增大,随摩擦角度的增大而减小。      

3种高强中模型PAN基碳纤维的微观结构比较

采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、透射电子显微镜、小角X射线散射仪对国产的两种高强中模型碳纤维与日本东丽T800H碳纤维的结构进行表征,比较了它们的表面形貌、断面形貌、石墨微晶结构和微孔结构。结果表明,国产的高强中模型碳纤维的表面形貌优于日本T800H,但在断面形貌、石墨微晶结构和微孔结构等微观结构上仍有一定差距,需从工艺上进行改进。     

基于三维载荷传递机制的单向复合材料纵向拉伸的多尺度模型

首先建立了单向复合材料代表性体积单元(RVE)载荷传递的三维有限元模型,阐述了载荷传递系数和载荷传递无效长度的计算方法。其次,基于单丝拉伸强度Weibull分布,引入Monte-Carlo概率随机数,建立了渐进损伤分析和强度预报的解析模型。再次,测量了东丽T700S和T800H以及国产GCT700和GCT800等四种碳纤维单丝拉伸强度,并通过拟合得到Weibull函数,作为力学模型输入;为验证模型有效性,用热压罐成型工艺制造了与碳纤维分别对应的四种单向复合材料,并测量其纵向拉伸强度。最后,模拟了单向复合材料纵向拉伸渐进损伤过程,并对四种碳纤维增强复合材料强度的预报值和实验值进行了对比分析,表明该多尺度力学模型能较为准确地预报单向复合材料损伤过程和拉伸强度。     

炭纤维毛丝评价表征研究

采用海绵摩擦方法研究了东丽T800H和国产T800级炭纤维毛丝,结果表明国产炭纤维毛丝量明显高于东丽炭纤维,随海绵压力、纤维张力增加,两种炭纤维毛丝量变化规律差异显著。扫描电镜照片统计结果显示国产炭纤维的断头率明显多于东丽炭纤维;炭纤维表面微摩擦力表征结果表明国产T800级炭纤维表面局部上浆不均匀造成的上浆剂堆积显著增大了纤维摩擦力;炭纤维丝束中单丝之间绞络程度也是影响毛丝量的重要因素。炭纤维毛丝典型断口形貌对比分析证实,纤维单丝受到径向分力导致其弯折断裂是毛丝的主要生成机制,断头率、摩擦力和单丝绞络程度三因素耦合是引起国产炭纤维毛丝量高于东丽炭纤维的主要原因。     

炭纤维上浆剂对浮沉法体密度测试的影响

对上浆剂去除前后的炭纤维进行了体密度、上浆剂含量和微观形貌测试分析。结果表明,未除浆样品在浮沉法体密度测试时分层,上层样品絮集严重,上浆剂在纤维表面堆积明显,含量约为2.17%;下层样品轻微絮集。采用丙酮萃取法除浆,测得上浆剂含量为1.20%,除浆样品在浮沉法体密度测试时依然分层,上层样品轻微絮集,有少量上浆剂堆积,下层样品分散均匀。采用450℃热解法除浆,测得上浆剂含量为1.53%,除浆样品在密度液中分散均匀,表面无上浆剂堆积。扫描电镜观察及理论分析表明,炭纤维表面上浆剂残留及不均匀分布引起样品密度不均一,是导致浮沉法体密度测试分层的主要原因;表面上浆剂去除越充分,体密度测试结果准确性越高;比较而言,高温热解是去除炭纤维表面上浆剂的更有效方式。