高温处理对单向碳纤维增强无机聚合物复合材料力学性能的影响

采用料浆浸渍辅助超声处理工艺成功制备了单向碳纤维增强无机聚合物基复合材料,并在1100 ℃、1200 ℃、1300 ℃和1400 ℃下对其进行高温处理.研究了无机聚合物和复合材料的热稳定性、相演变过程、力学性能变化等.结果表明,经高温处理后复合材料和无机聚合物均完成陶瓷化过程,析出白榴石晶相,并且由于碳纤维和基体之间界面反应的存在,与无机聚合物相比复合材料具有较差的热稳定性.随处理温度的提高,复合材料力学性能先升高再降低,经1200 ℃高温处理后复合材料达到最高的弯曲强度和断裂功,比处理前复合材料分别提高了28%和11%;高温处理后复合材料强度的提高主要是由于基体完成陶瓷化,基体和纤维的界面结合强度提高,界面能够有效传递载荷;随处理温度继续升高,界面反应造成碳纤维损伤严重,并且由于基体和碳纤维热失配形成的残余应力也逐渐升高,二者共同作用造成复合材料性能急剧下降.     

矿聚物及其复合材料研究进展

系统介绍了周内外关于矿聚物的组织结构、性能及影响因素、制备工艺及特点、矿聚物的反应过程与聚合机理。评述了矿聚物的陶瓷化、先进矿聚物基复合材料、矿聚物及其复合材料的应用等方面的研究进展,指出了今后矿聚物及其复合材料的研究方向。     

h-BN各向异性热膨胀和热输运特性的第一性原理研究

热填料的热膨胀系数和热导率是设计热管理和热防护复合材料的关键参考因素.六方氮化硼(h-BN)由于其独特的优点是最常用的热填料之一.但由于不同测试方法和测试样品的不一致性,其热膨胀系数和热导率的精确数值尚不清楚.本文分别用基于密度泛函理论的准谐近似方法和声子玻耳兹曼输运方程理论精确计算了h-BN沿层间和层内方向的热膨胀系数和热导率,通过与已有实验结果的对比验证了计算结果的准确性,并通过对声子行为的分析研究了其基本物理原理.结果表明,h-BN的热膨胀系数沿层内方向为较小的负值,沿层间方向为较大的正值,在300 K时分别为-2.4×10^-6和36.4×10^-6K^-1.研究表明,h-BN各向异性的热膨胀系数主要由其各向异性的等温体积模量和低频面外纵向声学支和光学支的振动特性所引起.为了确保h-BN热导率的快速准确预测,本文首次进行了原子间交互作用截断半径和q网格尺寸的收敛性测试.计算结果表明,h-BN平面内的热导率远大于沿平面间方向的热导率,在300 K时分别为286.6和2.7 W m^-1K^-1.声子行为分析表明,由面外纵向声学支、面内纵向声学支和横向声学支的振动特性引起的各向异性声子群速度是造成h-BN各向异性热导率的主要原因.本文的计算结果对h-BN复合材料的设计具有重要的参考价值.     

热处理温度对偏高岭土活性的影响及其表征

本文由热重-差热分析(TG-DTA)确定了高岭土的活性转化的温度范围为737～900 ℃,并在此温度范围内对高岭土进行了不同温度的热处理,将获得的偏高岭土通过X射线衍射(XRD)分析了其物相变化,并通过拉曼光谱表征了其活性.研究结果表明:当在热处理时间相同,热处理温度由800 ℃升高至900 ℃的条件下,偏高岭土的非晶"馒头峰"向左偏移1°;温度由800 ℃升到900 ℃保温4 h的偏高岭土除了466 cm-1波数处的谱峰外,其余各波数处均出现相同的谱峰,900 ℃热处理的偏高岭土在466 cm-1波数处出现了Si-Obr-Al间桥氧弯曲振动谱峰;谱图的高频区(800～1200 cm-1)中没有硅氧四面体结构单元的对称伸缩振动的谱峰.所以738～900 ℃为偏高岭土的活性转化的温度范围,在此温度范围对其进行热处理,随着热处理温度的升高其活性增大.     

Thermal-mechanical properties of short carbon fiber reinforced geopolymer matrix composites subjected to thermal load

Short carbon fiber preform reinforced geopolymer composites containing different contents of α-Al₂O₃ filler (C_f(α-Al₂O₃)/geopolymer composites) were fabricated, and the effects of heat treatment temperatures up to 1 200 °C on the thermal-mechanical properties were studied. The results show that the thermal shrinkage in the direction perpendicular to the lamination of the composites gradually increases with the increase of the heat treatment temperatures from room temperature (25 °C) to 1 000 °C. However, the composites in the direction parallel to the lamination show an expansion behavior. Beyond 1 000 °C, in the two directions the composites exhibit a larger degree of shrinkage due to the densification and crystallization. The mechanical properties of the composites show the minimum values in the temperature range from 600 to 800 °C as the hydration water of geopolymer matrix is lost. The addition of α-Al₂O₃ particle filler into the composites clearly increases the onset crystalline temperature of leucite (KAlSi₂O₆) from the amorphous geopolymer matrix. In addition, the addition of α-Al₂O₃ particles into the composites can not only help to keep volume stable at high temperatures but also effectively improve the mechanical properties of the composites subjected to thermal load to a certain extent. The main toughening mechanisms of the composites subjected to thermal load are attributed to fiber pulling-out.     

短碳纤维强韧铝硅酸盐聚合物基复合材料的强韧化机理及断裂行为

本文制备了短碳纤维长度为7 mm的预制体,然后再与铝硅酸盐聚合物配合料复合制备了纤维含量分别为3.5vol%、4.5vol%和6.0vol%的短碳纤维强韧的铝硅酸盐聚合物基复合材料.通过对复合材料三点弯曲力学性能测试以及测试过程中试样拉伸侧面微观裂纹的原位观察,对复合材料的力学性能,韧化机理以及断裂行为进行了研究.研究发现,纤维的加入极大的改善了复合材料的强度和韧性并使复合材料呈现"伪塑性"断裂特征.原位观察表明,弯曲测试过程中复合材料拉伸面会产生大量的次生裂纹并逐步扩展.随着载荷达到最大值,主裂纹产生并导致次生裂纹处应力出现下降,致使次生裂纹扩展停滞并呈现一定程度的闭合.复合材料拉伸面次生裂纹的萌生及扩展是复合材料具有较大断裂功的主要原因.随着复合材料模量的增加,复合材料拉伸面次生裂纹的扩张幅度逐步缩小,变形能力减弱.