纺织结构碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料的制备及界面改性

采用热压成型法制备纺织结构碳纤维增强聚醚醚酮(CFF/PEEK)航空热塑性复合材料。通过对碳纤维(CF)进行去浆、活化,及采用磺化聚醚醚酮(SPEEK)进行表面涂层,显著提高了CFF/PEEK复合材料的层间剪切强度。讨论了热压温度、压力等工艺参数对材料综合力学性能的影响规律,确定优化工艺条件,制备的复合材料拉伸强度和弯曲强度分别达到714.29 MPa和955.84 MPa。借助扫描、金相显微镜等观察手段,发现经过界面改性处理后,复合材料断裂发生在基体内部而非界面处,基体与增强体浸润性和结合性良好。     

聚醚酰亚胺修饰碳纤维及其对聚碳酸酯基复合材料界面和性能的影响

以聚醚酰亚胺(PEI)为修饰剂,对氧化后的碳纤维(CF)进行表面修饰,并通过红外光谱、X射线光电子能谱和扫描电镜(SEM)表征了表面修饰效果。结果表明,氧化处理使CF表面PEI修饰层更加均匀。考察了PEI和CF含量对CF增强聚碳酸酯(PC/CF)复合材料力学性能、导热性能及耐热性能的影响,发现PEI修饰层使PC/CF复合材料的拉伸强度比未经修饰的PC/CF提高了35.2%,维卡软化温度(VST)进一步上升了约2℃,热导率最大提高了13.1%。拉伸样条断面的SEM图确认了PEI修饰层改善了复合材料的界面附着效果。结合复合材料中CF的长度分布统计及样品断面的SEM图对PC/CF复合材料的性能表现进行了分析。     

碳纤维织物增强聚苯硫醚复合材料的制备及性能

采用薄膜叠压法制备碳纤维织物增强聚苯硫醚(CFF/PPS)复合材料层压板,研究了热压温度、热压压力和热压时间对复合材料层压板力学性能的影响,确定了制备CFF/PPS复合材料的理想工艺参数为:热压温度320～330℃,热压压力0.15～0.20MPa,热压时间8～10min。在该参数下制得的层压板拉伸强度为652MPa,弯曲强度为711MPa,层间剪切强度为43MPa;在6.7J/mm的冲击能量下,层压板的冲击后压缩剩余强度为116MPa。     

国产碳纤维与东丽碳纤维与PP复合材料性能的对比研究

分别采用国产永煤及日本东丽未处理过的碳纤维及经浓硝酸处理的碳纤维,制备了碳纤维增强聚丙烯(PP)复合材料。通过测量复合材料的力学性能表明加入少量未处理的国产永煤碳纤维,CF/PP复合材料的力学性能有了很大的提高,反之未处理的东丽碳纤维增强效果不明显。通过SEM分析了表面处理前后碳纤维复合材料界面的变化,结果表明对日本东丽碳纤维进行硝酸表面处理后可显著改善基体与碳纤维的界面粘结性能,进而提高CF/PP复合材料的力学性能。     

表面处理碳纤维增强聚酰亚胺复合材料力学性能

采用空气氧化法和硝酸氧化法对碳纤维进行表面处理,研究了碳纤维(CF)增强热塑性聚酰亚胺(TPI)复合材料的力学性能。采用Boehm滴定方法测定了经过硝酸处理后CF表面酸性官能团数量。结果表明:CF表面酸性官能团的数量随着浓硝酸处理时间的增加而增加;浓硝酸处理效果比空气氧化好,当浓硝酸处理CF的时间为20 min时,CF/TPI复合材料拉伸强度和弯曲强度分别提高10 %和14 %,XPS表明此时CF表面活性官能团比未处理增加35.89 %。AFM表明,浓硝酸对CF表面刻蚀沟明显;SEM表明,CF与TPI基体之间形成良好的界面,CF起到了增强效果。      

聚多巴胺改性碳纤维增强尼龙6复合材料的界面性能

在碳纤维表面自聚合沉积多巴胺对其改性,制备出碳纤维增强尼龙6复合材料(CF/PA6)。使用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、接触角测量仪、傅里叶红外光谱(FTIR)以及X射线光电子能谱仪(XPS)等手段表征碳纤维的表面形貌、粗糙度、润湿性和化学结构,研究聚多巴胺(PDA)沉积时间对复合材料界面力学性能的影响。结果表明：经过改性处理的碳纤维表面被一层均匀的PDA薄膜覆盖,显著提高碳纤维的表面活性、表面粗糙度和化学键能,也极大地提高碳纤维与尼龙6树脂基体之间的界面相容性。PDA沉积16 h的复合材料其界面结合强度最高,层间剪切强度达到31.7 MPa比改性前提高72.3%,弯曲强度达到308.2 MPa比改性前提高56.9%。     

化学接枝对碳纤维结构及其复合材料的影响

以丙二酸环(亚)异丙酯和多乙烯多胺对碳纤维进行化学接枝反应,并制备了碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料。利用红外光谱、X射线光电子能谱、扫描电镜、动态力学分析对碳纤维和CF/EP复合材料进行表征和测试,研究了复合材料的力学性能,分析比较了2种接枝反应对碳纤维结构及复合材料界面结合的影响。结果表明,碳纤维表面分别成功接枝了-COOH和-NH2,且多乙烯多胺的接枝反应对碳纤维表面和CF/EP复合材料断面产生的效果更为突出,2种复合材料的拉伸强度分别提高了4.4%和17.5%,Tg分别提高了3.1℃和8.2℃,多乙烯多胺的接枝反应对改善界面更具优势。     

碳纤维/聚苯硫醚热塑性复合材料电阻焊接工艺

本文针对航空器结构用碳纤维/聚苯硫醚(CF/PPS)复合材料为研究对象，开展电阻焊接工艺研究；利用CF/PPS复合材料混编织物作为电阻元件，成功制备了CF/PPS复合材料层板电阻焊接接头；重点利用Taguchi方法和方差分析获取CF/PPS复合材料层板电阻焊接最佳工艺参数(电流为12 A，压力为1.5 MPa，时间为30 min)及各参数对焊接接头剪切强度的贡献(电流为83.37%，压力为9.55%，时间为6.02%)。最佳焊接工艺参数焊接的接头单搭接剪切强度约为17.88 MPa；同时，对最佳参数焊接试样(H-LSS)和较低剪切强度试样(L-LSS)的焊接接头截面和剪切失效断口形貌进行了观察和分析。结果表明:H-LSS试样的焊缝区域树脂填充和浸润良好，且主要剪切失效形式为层间剪切失效，即为纤维与树脂基体脱黏及CF/PPS织物复合材料断裂混合失效；L-LSS试样的焊缝区域树脂填充和浸润较差，存在较多空隙，且剪切失效形式为焊缝界面脱黏失效。      

连续碳纤维增强阴离子聚酰胺6热塑性复合材料的制备与性能

采用树脂传递模塑工艺(RTM)制备了阴离子聚酰胺6树脂和连续碳纤维(CF)增强阴离子聚酰胺6(APA6)热塑性复合材料,研究了催化剂配比对APA6树脂转化率、结晶度和力学性能的影响。进一步探讨了纤维体积分数对连续CF/APA6复合材料力学性能的影响,并采用扫描电镜(SEM)观察了复合材料的拉伸断裂形貌。结果表明,APA6树脂转化率和结晶度随着催化剂比例增大而降低;当纤维体积分数为40%时,连续CF/APA6复合材料的拉伸强度和弹性模量最高分别达到493 MPa和60 GPa;SEM分析表明,继续增加纤维体积分数(>40%),APA6树脂基体在碳纤维中的浸润性变差,弱化的界面使增强体作用难以发挥。     

纤维热氧-接枝处理与基体改性对CF/VE复合材料力学性能的影响

针对碳纤维增强乙烯基酯树脂(CF/VE)复合材料界面性能薄弱的问题,通过热氧-接枝的方法对碳纤维表面进行改性,通过添加偶联剂改性树脂,并采用真空辅助成型工艺制备了CF/VE复合材料。通过纤维扫描电镜(SEM)表征和CF/VE复合材料力学性能测试、动态力学测试、界面粘结参数计算以及界面的微观表征验证改性方法的效果。SEM测试表明改性后纤维比表面积和粗糙度提高;TGA测试表明碳纤维氧化温度大于210℃,且氧化温度在600℃时,CF/VE复合材料综合性能最佳;CF/VE复合材料界面性能随隅联剂质量浓度的增大先提高后降低,且在其质量浓度为1%时,层间剪切强度最大,相对于未改性CF/VE复合材料的提高了74.3%;动态力学性能测试(DMA)表明改性CF/VE复合材料的玻璃化转变温度Tg较未改性的提高了约10℃;界面粘结参数A和α的定量计算表明改性CF/VE复合材料界面性能得到较大改善。     

碳/碳复合材料基体用中间相沥青

中间相沥青具有高残碳率、高密度、低的密度变化及易石墨化等优点 ,是较理想的碳 /碳 (C/C)复合材料基体前驱体。本文从 C/ C复合材料制备工艺的角度 ,阐述了制备 C/ C复合材料用的中间相沥青的主要特性 ,其中包括中间相沥青的流动性、在碳化过程中的稳定化、微观结构以及中间相沥青基 C/ C复合材料的界面结构。     

粉末涂层碳纤维制备碳/碳复合材料研究进展

综述了国内外碳/碳复合材料的主要用途和制备方法,通过比较发现粉末预涂层制备碳/碳复合材料是一种低成本、短制备周期的理想方法,它包括基体树脂和碳纤维的选择、碳纤维的表面处理及碳纤维丝束的铺展.采取层压成型制备试样,经高温炭化和石墨化制备碳/碳复合材料.     

炭/炭复合材料表面预炭层的制备及其性能研究

为在炭/炭复合材料表面制备C/SiC浓度梯度高温抗氧化涂层,预先用料浆涂刷-高温处理工艺在其表面制备了预炭层.借助XRD、Raman和SEM等测试手段对所制备预炭层的组织结构和微观形貌进行了表征,讨论了不同的原料配比和炭化温度对预炭层结构的影响,并对预炭层与基体的结合性能进行了测定.研究结果表明：制备的预炭层结构致密,与基体具有较好的结合性能,其结合强度可达10.95MPa.不同的原料配比和炭化温度影响了炭层序态结构的形成,最终形成了不同结构的预炭层.     

Carbon–Carbon Composite Materials

Data are summarized on the performance characteristics and properties of Russian-produced and foreign carbon–carbon composite materials for various engineering applications. The effect of neutron irradiation on their macroscopic properties and structure is examined. The relationships between the radiation-induced dimensional changes and properties of the composites are established, which can be used in assessing the engineering performance and optimizing the fabrication of carbon–carbon composites.     

纳米碳管增强炭/炭复合材料的研究进展

纳米碳管(CNTs)具有独特的结构、优异的力学性能、热稳定性与传导性能,是炭/炭(C/C)复合材料理想的增强体.综述了纳米碳管增强炭/炭(CNTs/C/C)复合材料的制备方法,讨论了该复合材料的微观结构、摩擦学性能和传导性能,并展望了CNTs/C/C复合材料的潜在应用和发展趋势.     

Effect of Growth Temperature on Carbon Nanotube Grafting Morphology and Mechanical Behavior of Carbon Fibers and Carbon/Carbon Composites

High-purity carbon nanotubes(CNTs) with different orientation and lengths were grafted on carbon fibers(CFs) in woven fabrics by using double injection chemical vapor deposition and adjusting the growth temperature.Scanning electron microscopy(SEM),transmission electron microscopy(TEM) and Raman investigations reveal that the grafted CNTs change from being predominantly aligned and uniform in diameter to absolutely disordered and variable in diameter,whilst they show significantly increased crystallinity,as the growth temperature is increased from 730 °C to 870 °C.In tensile tests of fiber bundles,much more strength degradation of CFs was observed after the growth process at higher temperature than that at lower temperature.These hybrid preforms produced at different growth temperatures were used to reinforce carbon/carbon(C/C) composites.An increment of 34.4% in out-of-plane compressive strength(OCS) was obtained for the composites containing CNTs grown at 730 °C,while the OCS increment exhibits an obvious decrease with increasing the growth temperature.Compared with the higher growth temperature,the lower temperature contributes to the decrease in the strength loss of reinforcing fibers and meanwhile the growth of large extending length of CNTs,which can provide long reinforcement to the pyrocarbon matrix,and thus increase the compressive strength better.     

碳／碳复合材料的氧化与防护

碳/碳复合材料的氧化敏感性限制了它的应用,为满足未来宇航飞行器等对高温结构材料的需要,必须彻底解决碳/碳复合材料的氧化防护问题。本文在认真分析碳/碳复合材料氧化过程的基础上,全面总结了提高碳/碳复合材料的抗氧化途径,其具体方法包括:材料内部结构、纤维、基体的改进和用各种方法在其表面施加保护涂层。同时,进一步发现:一种包括硼酸盐玻璃作内涂层,以SiC、Si_3N_4、SiO_2等作为外涂层的多层涂层系统,能在1700℃以下对碳/碳复合材料提供较好的防护。     

碳/碳复合材料密封性能分析

为使高性能碳/碳(C/C)复合材料在航天密封材料领域中得到进一步的应用,本文研究了碳布叠层以及碳毡结构的C/C复合材料在一定压力下气体的渗漏情况,对比试样为俄罗斯高强石墨密封环材料,采用扫描电镜观察分析气体通过C/C复合材料的途径.结果表明:C/C复合材料比高强石墨更适合用作航天动密封材料.碳毡C/C复合材料比碳布叠层C/C复合材料气密性更好.C/C复合材料中的穿刺纤维以及贯穿基体的孔隙和裂纹以及纤维与碳基体的结合情况对密封材料的密封性能会产生很大的影响.     

Increasing the Tensile Property of Unidirectional Carbon/Carbon Composites by Grafting Carbon Nanotubes onto Carbon Fibers by Electrophoretic Deposition

Although in-situ growing carbon nanotubes(CNTs) on carbon fibers could greatly increase the matrix-dominated mechanical properties of carbon/carbon composites(C/Cs),it always decreased the tensile strength of carbon fibers.In this work,CNTs were introduced into unidirectional carbon fiber(CF) preforms by electrophoretic deposition(EPD) and they were used to reinforce C/Cs.Effects of the content of CNTs introduced by EPD on tensile property of unidirectional C/Cs were investigated.Results demonstrated that EPD could be used as a simple and efficient method to fabricate carbon nanotube reinforced C/Cs(CNT—C/Cs) with excellent tensile strength,which pays a meaningful way to maximize the global performance of CNT—C/Cs.