碳纤维复合材料的回收与利用

<正>碳纤维作为高强韧复合材料的增强纤维,随着航空和汽车行业的高速发展,其需求量也与日俱增,有资料表明,仅航天航空每年预计增加的需求量在10%~17%。近年来,全世界每年对碳纤维的需求量以12%的速度在增加,有预计表明到2014年全球碳纤维的需求量会达到70 000t以上[1]。随着碳纤维复合材料的大量应用,其废弃物量也将急剧增加,据粗略估计,到2025年全球将有超过8 500架左右的     

碳纤维增强聚合物基复合材料回收再利用现状

优异性能的碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRPs)在各领域的快速应用发展给复合材料废弃物的回收带来了挑战,尤其是碳纤维增强热固性复合材料.为有效回收碳纤维增强复合材料,促进复合材料产业的可持续发展,本文从多个角度对废弃CFRPs回收再利用研究现状进行综述,包括各回收工艺技术特点、应用领域及可降解树脂实现回收CFRPs的...     

碳纤维增强环氧树脂复合材料-铝合金短柱力学性能

碳纤维增强环氧树脂复合材料-铝合金(CFRP-Al)短柱轻质高强,具有良好延性,在大跨空间结构中具有广阔的应用前景,然而国内外对其受力性能的研究目前几乎处于空白状态.为此,本文对CFRP-Al短柱进行了理论分析、试验研究和数值模拟.推导得到了CFRP-Al短柱的等效工程弹性常数;进行了6根短柱轴压试验,得到了其轴压承载...     

UVA紫外辐射对室内碳纤维增强环氧树脂基复合材料性能的影响

研究了Ultraviolet A(UVA)紫外辐射对碳纤维增强环氧树脂基复合材料产生的影响.测量和分析了从窗户照射到室内太阳光和日光灯辐射的UVA紫外线辐照度,研究了碳纤维增强环氧树脂基复合材料经辐照度为200 μW·cm-2的UVA紫外灯辐射处理后的力学性能变化,并通过XPS、接触角、纳米压痕、原子力显微镜(AFM)测试方法研究了其表面性能变化.结果表明:春夏季节晴天室内太阳光紫外辐照度在14点时达到最大值,距离窗户0m处最大值为375 μW·cm-2,1m处最大值迅速降至30 μW· cm-2；对功率40 W的日光灯,距离日光灯Om处,紫外辐照度为87.3 μW·cm-2,1m处快速降至5.4μW· cm-2;经过45天的紫外辐射,碳纤维增强环氧树脂基复合材料的层间剪切强度、弯曲强度和拉伸强度无明显变化；碳纤维增强环氧树脂基复合材料表面发生氧化反应,表面硬度和粗糙度变大.     

碳纤维改性环氧树脂基复合材料的制备及性能研究

以环氧树脂E51为基础材料,碳纤维为增强材料,制备出了不同碳纤维掺杂量(0,3%,6%,9%(质量分数))的改性环氧树脂基复合材料,研究了碳纤维掺杂量对环氧树脂基复合材料力学性能、微观形貌、热稳定性和导热性能的影响。结果表明,适量碳纤维的掺杂提高了环氧树脂基复合材料的力学性能、热稳定性和导热性能。随着碳纤维掺杂量的增加,改性环氧树脂基复合材料的拉伸强度、断裂延伸率、弯曲强度和弯曲模量均先增大后降低,当碳纤维的掺杂量为6%时,复合材料的拉伸强度、断裂延伸率、弯曲强度和弯曲模量均达到了最大值,分别为48.5 MPa, 1.86%,85.6 MPa和3.09 GPa。随着碳纤维掺杂量的增加,复合材料的分解温度和残留量先升高后降低,当碳纤维的掺杂量为6%时,复合材料的分解温度和残留量达到最大,分别为453.7℃和4.9%。复合材料的导热系数随碳纤维掺杂量的增加而增大,当碳纤维的掺杂量<6%时,导热系数增长速率较快。综合分析可知,碳纤维的最佳掺杂量为6%。     

UVA紫外辐射对室内碳纤维增强环氧树脂基复合材料性能的影响

研究了Ultraviolet A(UVA)紫外辐射对碳纤维增强环氧树脂基复合材料产生的影响。测量和分析了从窗户照射到室内太阳光和日光灯辐射的UVA紫外线辐照度, 研究了碳纤维增强环氧树脂基复合材料经辐照度为200 μW·cm^-2的UVA紫外灯辐射处理后的力学性能变化, 并通过XPS、 接触角、 纳米压痕、 原子力显微镜(AFM)测试方法研究了其表面性能变化。结果表明: 春夏季节晴天室内太阳光紫外辐照度在14点时达到最大值, 距离窗户0 m处最大值为375 μW·cm^-2, 1 m处最大值迅速降至30 μW·cm^-2; 对功率40 W的日光灯, 距离日光灯0 m处, 紫外辐照度为87.3 μW·cm^-2, 1 m处快速降至5.4 μW·cm^-2; 经过45天的紫外辐射, 碳纤维增强环氧树脂基复合材料的层间剪切强度、 弯曲强度和拉伸强度无明显变化; 碳纤维增强环氧树脂基复合材料表面发生氧化反应, 表面硬度和粗糙度变大。     

碳纤维增强羟基磷灰石/环氧树脂复合材料的制备与力学性能

采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备了碳纤维增强环氧树脂以及碳纤维增强羟基磷灰石(HA)/环氧树脂两种复合材料，并测试了其力学性能。结果表明，RTM工艺可以基本保证环氧基体均匀浸入碳纤维织物内部。碳纤维增强HA，环氧复合材料的冲击韧性高于碳纤维增强环氧复合材料，而弯曲强度和弯曲模量低于碳纤维增强环氧复合材料。两种复合材料的弯曲强度远高于人体皮质骨，弯曲模量与皮质骨非常接近。动态力学分析(DMA)表明加入HA后，复合材料的贮存模量和内耗降低，玻璃化转变温度升高。     

T700碳纤维增强环氧树脂基复合材料自然老化性能与机制

为验证复合材料的耐久性,对T700碳纤维增强环氧树脂基复合材料经自然老化后的微观形貌、表面元素含量、热性能与力学性能等进行了研究。结果表明: 在光氧老化与热氧老化的共同作用下,T700碳纤维增强EP-A环氧树脂基（T700/EP-A）复合材料表层树脂将发生老化降解,并且随自然老化时间的延长,T700/EP-A复合材料的玻璃化转变温度逐渐降低,未老化试样的玻璃化转变温度为207℃,经过自然老化处理3年后,其玻璃化转变温度降低为180℃,延长自然老化时间至5年时,其玻璃化转变温度进一步降低至172℃。而自然老化过程对复合材料力学性能可能同时存在着增强效应与损伤效应,因此造成了T700/EP-A与T700/EP-B复合材料的不同力学性能表现出相异的变化趋势。随自然老化时间延长,T700/EP-A与T700/EP-B复合材料纵向拉伸强度表现出先升高后降低的趋势,纵向弯曲强度表现出逐渐升高的趋势,纵向压缩强度与层间剪切强度存在波动,未呈现出明显变化。      

建筑用碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备及其性能研究

选择以T700碳纤维为增强相,将碳纤维经浓HNO₃浸渍处理0,40,80,120和160 min后掺入到环氧树脂中,制备了碳纤维增强环氧树脂复合材料。分析了浸渍时间对复合材料微观形貌、力学性能和热稳定性的影响。结果表明,经浓HNO₃浸渍的碳纤维表面粗糙度增大,沟槽数量和深度增加,碳纤维和环氧树脂的结合强度增大;随碳纤维浸渍时间的增大,复合材料的界面剪切强度、层间剪切强度、弯曲强度和弯曲模量均先增大后减小,当浸渍时间为120 min时,复合材料的界面剪切强度和层间剪切强度均达到了最大值,分别为80.2和90.3 MPa,其弯曲强度和弯曲模量也达到了最大值,分别为902.6 MPa和79.3 GPa,且应力-应变最高点增大,弯曲性能提高;在800℃下浓HNO₃浸渍处理120 min的复合材料的残炭率最大为58.2%,热稳定性最佳。     

超临界流体对碳纤维/环氧树脂复合材料的降解作用

为对比分析不同超临界流体对碳纤维/环氧树脂（CF/EP）复合材料的降解效果,首先,在间歇反应釜中通过超临界流体降解CF/EP复合材料,分析了不同反应温度下超临界CO₂和超临界醇对CF/EP复合材料的降解能力,并提出了降解CF/EP复合材料的超临界流体选择方法;然后,采用单丝拉伸测试、SEM以及原子力显微镜等测试手段分析了超临界正丙醇和超临界正丁醇回收碳纤维的力学性能和微观形貌。结果表明:超临界CO₂对CF/EP复合材料的降解能力较弱,正丙醇作为夹带剂时,降解效果有显著提高;超临界正丁醇对CF/EP复合材料的降解能力最强,其次为超临界正丙醇,超临界甲醇的降解能力最弱;选用的反应介质介电常数越小、偶极矩越大、溶解度参数与树脂基体越为接近,在超临界状态下CF/EP复合材料越容易降解。使用超临界流体降解CF/EP复合材料可以得到性能优异的碳纤维,与原始碳纤维相比,通过超临界正丙醇和超临界正丁醇回收的碳纤维单丝拉伸强度保持率在98%以上,且韦氏模数相近。      

碳纤维增强木材复合材料

碳纤维增强木材复合材料(CFRW)是新一代建筑材料、修补材料和装饰材料之一。在土木工程建筑、旧建筑的加固修补等方面得到广泛应用。CFRW不仅可提高材料的抗拉强度、压缩强度等,而且还赋予木材防菌防蚁、防水防腐、导电和电磁波屏蔽等新的功能。同时,可综合利用破碎木材及边角料,通过复合使其变废为宝。本文主要论述CFRW的制造、性质及其应用。     

单向连续碳纤维-玻璃纤维层间混杂增强环氧树脂基复合材料的力学性能

为了研究连续单向纤维的层间混杂方式对复合材料力学性能及破坏方式的影响,采用碳纤维-玻璃纤维体积比为1∶1,以拉-挤成型法制备了具有不同层间混杂结构的连续单向纤维增强环氧树脂基复合材料,并研究了不同层间混杂结构的连续单向碳纤维-玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能及破坏形式。结果表明：具有层间混杂结构的复合材料抗拉强度处于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料之间,复合材料的拉伸断裂方式为劈裂;具有层间混杂结构的复合材料的层间剪切强度均优于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料,复合材料的剪切断裂方式为层间断裂。     

复合处理碳纤维增强聚酰亚胺复合材料力学性能

采用浓硝酸氧化和聚酰亚胺(PI)包覆复合方法对短切碳纤维(CF)进行表面改性,提高CF增强热塑性聚酰亚胺复合材料(CF/TPI)力学性能。采用比表面积及孔容分析、原子力显微镜、扫描电子显微镜、热重分析仪研究了CF表面处理前后结构和形貌的变化。结果表明：CF经浓HNO₃处理后比表面积增加144.2%,CF表面沟壑加深;复合处理后有PI层包覆在 CF表面;包覆处理后CF耐热性能提高。力学性能测试表明,经过包覆处理后CF/TPI复合材料的拉伸强度比未处理的提高11.34%,弹性模量提高109.2%,弯曲强度提高18.78%,冲击强度提高74.15%。     

碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备与性能

通过高温模压方法,制备了碳纤维/聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料。采用差示扫描量热、热失重、弯曲测试、拉伸测试、扫描电子显微镜等分析方法对制品热学性能和力学性能进行了分析。分析结果表明,制备CF/PEEK复合材料的最佳工艺参数为:成型温度380℃~390℃,停留时间30 min,保温保压30 min、2 MPa~3 MPa,后期保压压力4 MPa~5MPa,保压时间3 h。复合材料制品弯曲强度达到1783 MPa,分解温度达578℃,表明其具有优良的力学性能和热稳定性。     

碳纤维增强聚乳酸复合材料体外降解特性

制备了碳纤维增强聚乳酸(C/ PLA) 骨折内固定复合材料, 研究了体外降解过程中其力学性能的变化。结果表明: 在体外降解过程中, C/ PLA 复合材料的各项力学性能均有不同程度的下降, 但经过硝酸处理后的C/PLA 复合材料降解速度缓慢, 表明界面结合强度的提高对降解过程起抑制作用。      

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。      

紫外老化对碳纤维增强环氧树脂复合材料性能的影响

采用拉挤成型工艺制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料,并对其进行人工加速紫外老化实验,对不同老化时间的试样进行弯曲强度测试、冲击强度测试、动态热机械分析(DMA)。结果表明,紫外老化仅影响到受紫外辐射的碳纤维环氧复合材料最外层,使对外层性能敏感的力学性能下降;紫外老化使复合材料玻璃化转变温度(Tg)提高,老化前期提高幅度相对较大,后期变化不明显;随着老化时间的增加,受到紫外辐射的最外层碳纤维/环氧树脂界面受到一定程度削弱。     

碳纤维增强树脂复合材料和铝合金温热自冲铆接工艺及接头力学性能

为研究传统自冲铆(SPR)工艺连接碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)和铝合金的损伤问题,制备三种典型铺层结构的自冲铆接头,研究铺层结构对接头表面宏观损伤形貌的影响。在不同测试温度下对CFRP进行力学试验,研究温度对CFRP力学性能及失效的影响。基于CFRP的温热力学性能,以减小接头损伤为目的,创新性提出了CFRP和铝合金的温热自冲铆接(WSPR)工艺,对比了两种铆接工艺获得接头中CFRP的损伤差异。制备CFRP和铝合金的WSPR接头,研究铺层角度对接头力学性能和失效过程的影响。研究表明:常温下铆接时,钉头附近区域易出现宏观裂纹缺陷,主要以平行于纤维方向的基体裂纹和垂直于纤维方向的纤维裂纹形式存在。在树脂基体的玻璃化转变温度下,CFRP在横向和剪切方向的延展性大幅度提高,导致WSPR接头的CFRP表面无宏观裂纹,同时减小了分层损伤面积。铺层角度影响接头的拉剪力学性能及失效过程,[0/90/0]_s铺层接头的力学性能最优。      

微波固化碳纤维/环氧树脂复合材料NOL环及其力学性能

采用微波固化技术,对碳纤维/环氧树脂复合材料NOL环进行了固化试验研究。综合运用红外光谱、微观CT扫描系统、力学拉伸试验机和扫描电子显微镜等试验方法分析材料的固化行为、微观形态及力学性能,并与传统热固化试样进行了对比。研究结果表明,微波固化方式与传统热固化方式的固化机理不同,微波固化可显著缩短固化周期;微波固化过程中未引入新的化学反应,且2种固化方式所获得的固化产物化学结构相同;CT扫描分析揭示出微波功率的大小对碳纤维复合材料孔隙率有着重要的影响;在相同固化温度条件下,微波固化复合材料NOL环的拉伸强度和层间剪切强度均低于热固化复合材料,这主要归因于微波固化复合材料具有较大的孔隙率;扫描电镜分析表明微波固化复合材料树脂和纤维的粘接情况要稍好于热固化复合材料。