铺层角度对头盔壳体用碳/芳纶混杂纤维复合材料力学性能的影响

为了研究铺层角度对头盔壳体用碳/芳纶混杂纤维复合材料力学性能的影响,根据所测量的织物在头盔曲面上的最终取向,采用RTM工艺,设计制备了碳纤维织物单向取向为0°、5°、12°、32°、45°、75°、80°、85°的8种复合材料层板,研究铺层角度对其拉伸和弯曲性能的影响.结果表明:在0°铺层时试样的拉伸强度和模量达到最大...     

表面处理碳纤维对增强尼龙复合材料性能影响

采用空气氧化法对碳纤维进行表面处理 ,以注塑成型法制备碳纤维增强尼龙 1 0 1 0复合材料 .研究发现表面处理碳纤维可明显提高增强尼龙复合材料的拉伸强度和摩擦学性能 ,其中摩擦系数较未处理碳纤维增强降低了 3 0 %～ 5 0 % ,而耐磨性提高了 2～ 3倍 .用扫描电镜对拉伸断口和磨损表面形貌分析发现 ,表面处理可显著改善碳纤维和尼龙基体间的界面结合性能 .最后对影响表面处理碳纤维增强复合材料性能的作用机理进行了初步分析     

聚醚醚酮水性上浆剂对碳纤维热塑性复合材料界面性能的影响

为了提高碳纤维（CFs）热塑性树脂基复合材料的界面性能,采用以相反转乳化法制备的聚醚醚酮（PEEK）水性上浆剂对CFs进行上浆处理,然后通过手糊热压的方式制备CFs/PEEK树脂热塑性复合材料,研究上浆剂乳液浓度与上浆剂的附着量对CFs及其热塑性复合材料界面性能的影响。结果表明：当PEEK上浆剂在水乳液中质量分数为2%时,乳液的表面张力具有最小值29.2 mN/m,PEEK上浆剂乳液具有最佳的表面润湿与铺展性能,PEEK上浆剂的最佳附着量为6 mg/g;采用此上浆工艺条件上浆后的CFs表面氧元素质量分数增加到19.51%,CFs复丝断裂强度较原厂上浆CFs提高了23.7%,制备的CFs/PEEK复合材料拉伸强度、弯曲强度和层间剪切强度比未上浆改性的分别提高了58.37%、37.01%和47.53%。与基体树脂同质的PEEK复合型水性上浆剂能明显改善CFs/PEEK复合材料的界面黏结性能,显著提高CFs/PEEK的整体力学性能。     

亚麻增强聚丙烯复合材料薄板的制备及其弯曲性能测试

利用亚麻纤维作为增强体,与热塑性聚丙烯(PP)纤维进行混合,同时与PP长丝形成PP包覆亚麻的纱线结构,并利用机织工艺织成二维机织布作为复合材料的预制件,采用层合热压方法制备亚麻/聚丙烯复合材料板材.通过对板材弯曲性能测试,研究了不同制备工艺、不同纱线结构以及不同纤维质量分数等因素对复合材料弯曲性能的影响.结果表明,"三明治"铺层方法制备的板材较"混纤法"制备的板材体现出更优良的弯曲机械性能;与加捻纱相比,包覆纱结构热塑性复合材料表现出更优越的弯曲性能;以亚麻/聚丙烯包覆纱为增强体的复合材料,亚麻纤维质量分数为43.5%的板材性能最优良.     

全金属组元铁基块体非晶的制备与性能研究

3D打印成型碳纤维接枝碳纳米管增强热塑性复合材料的强度提高

王婼楠¹，吴海宏^1，2，郭子月³，刘春太²，申长雨²

（1. 河南工业大学 机电工程学院，郑州450001; 2.郑州大学 橡塑模具国家工程研究中心，郑州450002; 3.中山大学 数学学院（珠海）,珠海519082）

创新点说明：

1) 研究了碳纤维定量接枝碳纳米管对热塑性复合材料的界面性能及拉伸性能的影响。

2) 用3D打印模压成型的工艺方法制备了热塑性复合材料。

研究目的：

研究碳纤维表面接枝不同含量的碳纳米管对复合材料微观结构、界面性能和力学性能的影响。

研究方法：

1) 采用溶液法，通过控制碳纳米管接枝反应时间，制备不同含量碳纳米管接枝碳纤维，然后用硝酸刻蚀法，去除残留溶剂，验证了碳纳米管接枝的可靠性。用扫描电镜观察碳纤维的微观形貌，用FTIR测试碳纤维表面官能团并用XPS对碳纤维的表面官能团进行分析。

2) 用扫描电镜观察碳纤维与基体的结合情况并用接触角测量仪测试碳纤维与基体的接触角。

3) 通过 3D打印成型法成型了热塑性复合材料样条，并用扫描电镜观察碳纤维热塑性复合材料的界面微观形貌。

4) 采用万能试验机测试3D打印成型热塑性碳纤维复合材料的拉伸性能，并观察复合材料断口形貌。

结果：

1) 溶液法.扫描电镜观察发现碳纳米管在碳纤维表面均匀分布，表明碳纤维与碳纳米管之间存在较强的键合关系。但随着接枝时间的增加，碳纤维表面的碳纳米管含量逐渐增加，但达到0.4%时，出现分散不均匀现象。碳纤维表面含有上浆剂和去掉上浆剂的对比发现，无上浆剂的碳纤维表面沟壑明显，这些沟槽可以增加碳纤维的比表面积和表面能，增强了基体与碳纤维的机械相互作用。用FTIR测试碳纤维表面官能团并用XPS对碳纤维的表面官能团进行分析，结果表明，经偶联剂改性后，C=O键含量明显增加，碳纤维表面引入含氧官能团。C1，O1S峰增强，表明碳纳米管接枝到了碳纤维表面。

2) 扫描电镜结果表明，与表面未接枝碳纳米管的碳纤维相比，接枝碳纳米管的碳纤维与基体PA6具有更好的润湿性。接触角测试结果对比发现，接枝碳纳米管的碳纤维与基体的接触角，明显小于未接枝碳纳米管的。

3) 通过扫描电镜观察复合材料的界面微观形貌，结果表明：纤维与基体之间存在一定厚度的界面层，界面层的存在可以减轻纤维与基体之间的力学性能突变引起的应力集中，并防止界面缺陷的扩展。

4）界面结合强度测试结果表明，当碳纳米管的质量分数增加到0.25%时，复合材料的界面结合强度比未接枝碳纳米管的碳纤维增强的PA6复合材料提高了20%，比表面有环氧的碳纤维复合材料提高了41.8%。然而当碳纳米管含量大于0.4%时，界面结合强度不再继续增加。力学测试表明碳纳米管含量为0.25%的复合材料具有最高的平均模量、拉伸强度和界面剪切强度。接枝碳纳米管的碳纤维复合材料断口形貌可以观察到界面处基体中的韧窝。表明基体树脂在拔出纤维前经历了较大的塑性变形，表明纤维与基体有很好结合性。

结论：

实验结果表明，碳纳米管可以提高表面的润湿性和CF表面粗糙度。碳纳米管接枝碳纤维增强PA6与环氧上浆的碳纤维复合材料相比，当碳纳米管的质量分数达到0.25%时，复合材料的界面结合强度增加了41.8%，拉伸强度提高了130%，界面剪切强度提高了238%。然而，随着碳纳米管含量的继续增加到0.4%时，界面结合强度和力学性能就会下降。

关键词：热塑性复合材料，界面结合强度，界面剪切强度，3D打印成型

     

聚乙醇酸/脂肪族聚酯复合材料的制备及其性能分析

为了改善聚乙醇酸(PGA)复合材料在常温下的降解和力学性能,以PGA为原料、脂肪族聚酯(聚酯-A)为填料,通过熔融共混法制备了PGA/聚酯-A复合材料,并分析了聚酯-A质量分数对于复合材料力学性能和降解速率的影响。结果表明：当聚酯-A质量分数为15%时,复合材料的拉伸应力和断裂伸长率分别达到89.18 MPa和4.21%,相较于PGA分别增加了117.19%和120.42%;复合材料样条降解30 d后质量损失为4.13%,相较于PGA下降了61.62%;随着聚酯-A质量分数的增加,复合材料中PGA组分结晶度先降低后增加,复合材料的拉伸强度先增加后减小、断裂伸长率逐渐增加、降解速率逐渐降低、亲水性增加;在复合材料样条断面观察到“海岛”结构的微观形态,并且随着聚酯-A质量分数提高而更加明显地出现两个组分之间的相分离现象。PGA/聚酯-A复合材料可以有效改善PGA在常温下的力学和降解性能,研究可为制备兼具高力学性能和低降解速率的PGA基复合材料提供理论参考。     

含孔隙碳纤维/环氧树脂层合板力学性能模拟

为了探究孔隙率对织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板拉伸强度和压缩强度的影响规律,分别测量了孔隙率为0.33%、0.71%及1.50%的复合材料层合板的拉伸强度及压缩强度并进行有限元模拟.试验结果表明:随着孔隙率的增加,复合材料层合板的拉伸强度和压缩强度均呈下降趋势.建立了适用于织物纤维增强复合材料的静态力学强度的失效准则,结合刚度突然退化模型,通过引入不同孔隙率复合材料的基本强度参数,使用ABAQUS软件建立有限元模型,对不同孔隙率的织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的拉伸强度及压缩强度进行了较为准确的预测.     

碳纤维复合材料原位增材制造设备与工艺

为了实现碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTC）高质高效原位增材制造,设计一种激光聚焦加热CFRTC原位增材制造平台,以单向连续碳纤维增强聚醚醚酮热塑性复合材料（T800 CF/PEEK UD）预浸带为原材料开展CFRTC成型工艺相关研究. 制备环形样件进行剪切强度测试表征,通过扫描电子显微镜观察样件的截面形貌,确立激光聚焦加热CF/PEEK的可行工艺参数窗口与较优工艺参数. 结果表明,CF/PEEK成型件强度受激光聚焦加热温度、成型速度影响较大,均表现出随激光聚焦加热温度与成型速度的增加,先增大后减小,当成型速度为30 mm/s和激光加热温度为450 ℃时,环形样件有较高的剪切强度,并且表现出较少的微观缺陷.     

纤维增强体对天然橡胶/顺丁橡胶复合材料性能的影响

研究了芳纶纤维(AF)、碳纤维(CF)以及聚酰胺纤维(PA)对天然橡胶/顺丁橡胶复合材料(NR/BR)性能的影响,用机械共混法制备了纤维/橡胶复合材料。结果表明:纤维的加入使得NR/BR复合材料的硬度和撕裂强度得到提高,其中芳纶纤维/天然橡胶/顺丁橡胶(AF/NR/BR)复合材料的撕裂强度提高最多,提高了22.5%;通过橡胶加工分析仪(RPA)分析得到,AF/NR/BR复合材料的"Payne"效应最明显,芳纶纤维与橡胶基体界面结合的最好;碳纤维/天然橡胶/顺丁橡胶(CF/NR/BR)复合材料的导热性能最好;通过扫描电子显微镜可以看到,AF与橡胶基体界面无明显缝隙,PA在橡胶基体中分散不均匀。     

纳米碳纤维复合材料的制备及其力学性能研究

采用浓酸(浓硫酸/浓硝酸)氧化法对纳米碳纤维进行表面处理,在水热和超声分散条件下,制备了纳米碳纤维/环氧树脂复合材料。红外光谱测试结果表明,酸化处理在纳米碳纤维表面引入了羟基和羧基等能参与环氧树脂固化反应的官能团。处理后纳米碳纤维的分散性有了明显的改善和提高。SEM和复合材料拉伸性能测试结果也显示了酸化处理能有效改善纤维与树脂的界面结合状况,提高复合材料的拉伸性能。当酸化处理纳米碳纤维的质量分数为0.1%时,复合材料的拉伸强度达到最大值,是纯树脂的1.8倍,是同含量未处理纳米碳纤维材料的1.6倍。     

聚丙烯天然橡胶碳酸钙三元复合材料的力学性能及加工流变行为

利用直接共混法和包覆法两种方法制备了聚丙烯/天然橡胶/超细碳酸钙三元复合材料,研究了弹性体及碳酸钙的质量分数对聚丙烯力学性能和加工流变行为的影响.力学实验结果表明同等质量分数下天然橡胶对聚丙烯力学强度的降低程度要小于三元乙丙橡胶.而碳酸钙的最佳质量分数为25%,此时聚丙烯/天然橡胶/碳酸钙三元复合体系具有最高的拉伸强度和冲击强度,复合体系的弯曲模量相对于聚丙烯/天然橡胶二元体系提高了57.1%.另外,直接共混物法和包覆法对聚丙烯力学性能的影响呈现不同的趋势,天然橡胶与碳酸钙直接共混法对聚丙烯力学强度的保持效果要优于包覆法,而采用天然橡胶包覆碳酸钙的方法对聚丙烯的增韧效果要优于直接共混法.最后哈克转矩流变测试表明天然橡胶及碳酸钙的加入可以降低聚丙烯的平衡扭矩.     

芒果种子纤维增强聚丙烯热塑性复合材料的制备及力学性能

以台农1号芒果提取制备的芒果种子纤维为增强体,以聚丙烯为基体,采用热压成型工艺制备芒果种子纤维/聚丙烯热塑性复合材料,并对复合材料的拉伸断裂性能进行测试分析和表征.结果表明,复合材料的实际强度随着芒果纤维体积分数的增加而增加,理论强度线性增加,实际强度均低于其相应的理论强度,并且越来越偏离理论强度,当芒果纤维体积分数达40%以后,强度增加幅度趋向平缓.复合材料的强度随着保压时间的增加而增加,随着成型压力、温度的增加先增加后减少.复合材料的拉伸断裂分为少数芒果纤维早期断裂、损伤扩展和最终破坏3个阶段,不同成型压力下复合材料的拉伸断口形貌不同,4 MPa时断面相对较为平齐,呈内聚破坏与黏结破坏的混合破坏模式,当压力增加到8 MPa时,界面结合较弱,纤维过早滑脱,拉伸强度降低,这与成型压力对复合材料强度的影响一致.     

纳米SiO_2增强增韧聚丙烯(PP)的研究

采用微胶囊包覆的方法对二氧化硅无机纳米粒子(nano SiO2)进行了表面处理,然后通过熔融共混法制备聚丙烯(PP)/ SiO2 纳米复合材料。力学性能测试、DSC及材料断面形貌分析等表明:用此改性方法制得的 nano SiO2 微胶囊采用常规的熔融混合法就能在基体树脂PP中达到纳米级的均匀分散,且在复合材料中可起异相成核的作用,从而提高 PP的结晶温度和结晶度,并能使PP/SiO 复合材料的拉伸强度提高43%,缺口冲击强度提高107%。     

拉挤工艺成型连续纤维增强热塑性FRP的性能与应用研究

目前,混凝土结构加固普遍采用纤维增强热固性复合材料,它不仅整体柔韧性较差,破坏没有预兆,界面粘结性能差,而且污染环境.选择国产高性能热塑性工程树脂和高强芳纶纤维、碳纤维及混杂纤维,采用连续在线熔融浸渍技术和连续拉挤成型工艺,分别制备了热塑性树脂基CFRP,AFRP,HFRP片材试件,并对其进行相关力学性能分析,得出热塑性复合片材达到现有加固材料指标.     

苎麻增强不饱和聚酯复合材料的力学性能

分别以苎麻原麻和碱处理的原麻（碱麻）为增强体,KH550为偶联剂,制备了苎麻增强不饱和聚酯复合材料．探讨了偶联剂用量和纤维含量对复合材料力学性能的影响,并用扫描电子显微镜对复合材料的断面进行了观察．实验结果表明,复合材料的力学性能得到了较大的提高．原彬不饱和聚酯复合材料的拉伸强度达132．6MPa,弯曲强度达364．6MPa;碱彬不饱和聚酯复合材料拉伸强度迭116．5MPa,弯曲强度达297．7MPa．     

聚丙烯/聚丙烯接枝丙烯酸/蒙脱土纳米复合材料的制备及性能

用悬浮接枝法制备了接枝率为2 2%的聚丙烯接枝丙烯酸作为相容剂,用十六烷基三甲基溴化铵对钠基蒙脱土进行了有机化处理,使蒙脱土的层间距从1 2nm增加到了3 84nm。通过熔融插层法制备了插层型聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料(Polypropylene/MontmorilloniteNanocomposites,PNC),复合材料中蒙脱土层间距比有机蒙脱土的层间距又有小幅度的增加。当蒙脱土含量为2%,相容剂用量为15%时的复合材料力学性能最好,缺口冲击强度和拉伸强度分别达到12 12kJ/m2和35 77MPa,分别比纯1PP增加了180%和4 3%,蒙脱土的加入起到了增韧和增强的双重作用。     

玻璃纤维增强环氧树脂单向复合材料力学性能分析

采用连续玻璃纤维与环氧树脂相复合,通过金属模压成型工艺,制备出单向玻璃纤维／环氧树脂复合材料。通过三点弯曲实验论证单向纤维对树脂基体的增强作用,从而研究不同纤维含量下复合材料的弹性模量、纵向拉伸强度、纵向压缩强度的变化趋势。结果表明：随着纤维含量的增加,复合材料的力学性能均增强,当纤维体积含量为50％时,其各项性能均较好,弹性模量为40GPa,纵向拉伸强度为1200MPa,纵向压缩模量为700MPa。此外,对复合材料的其他常用力学性能参数进行检测。     

混合纤维对尼龙66的增刚研究

以尼龙66（PA66）为基体,研究和分析玻璃纤维和碳纤维混杂对尼龙66增刚的影响.固定玻璃纤维质量分数为24.6%,改变碳纤维的质量分数,将玻璃纤维（GF）、碳纤维（CF）先用硅烷偶联剂KH550进行表面处理,用双螺杆挤出造粒和注塑成型方式制备GF/CF增刚PA66复合材料,对试样进行拉伸模量、拉伸强度、弯曲模量、弯曲强度、缺口冲击强度等性能测试,并利用扫描电镜分析复合体系的冲击断面特征.研究结果表明：GF/CF混合纤维对PA66具有很好的增刚效果.     

层间混杂复合材料的弹道侵彻性能研究

结合高性能纤维材料力学性能的差异设计并制备碳纤维、对位芳纶和高强玻纤织物增强单一和厚向层间混杂防弹复合材料,进行弹道侵彻试验并表征冲击能量吸收和弹道极限指数BPI.试验表明就单一复合材料而言,Kevlar129芳纶纤维防弹性能优于S2玻璃纤维,T300-6K碳纤维相对较差,而厚向层间混杂复合材料能有效地提升三种纤维的防弹性能.在此基础上,结合复合材料在弹道侵彻下的冲击响应、破坏模式以及能量的吸收的模式对抗弹道侵彻机理进行了初步探讨.     

不同孔隙率CFRP层合板冲击损伤分析

为了建立适用于织物纤维增强复合材料层合板的冲击损伤失效准则,在适用于复合材料单向板低速冲击失效准则的基础上,改进了纤维及基体破坏的失效准则.对于织物纤维增强复合材料层合板,分别考虑了经向纤维破坏、纬向纤维破坏、基体法向挤压破坏、分层破坏等冲击损伤形式.使用ABAQUS软件建立有限元模型,结合刚度突然退化模型,通过引入不同孔隙率复合材料的基本强度参数,较为准确地预测了不同孔隙率的织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的冲击损伤投影面积.