碳纳米管有序排列对碳纤维增强环氧树脂基复合材料低温性能的影响

为了提高碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料在低温(77K)循环条件下的抗微裂纹性能,采用共沉淀法制备了具有良好顺磁性的Fe_3O_4修饰氧化碳纳米管(Fe_3O_4-O—MWCNTs),并研究了Fe_3O_4-O—MWCNTs在环氧树脂(EP)基体中的有序排列对EP及CF/EP复合材料低温性能的影响。结果表明:Fe_3O_4-O—MWCNTs的有序排列可有效提高EP基体的低温力学性能及降低EP基体的热膨胀系数,相对于纯EP,Fe_3O_4-O—MWCNTs改性EP的热膨胀系数降低了41.6%;相对于CF/EP复合材料,Fe_3O_4-O—MWCNTs改性CF/EP复合材料在低温环境下的微裂纹密度降低了56.2%。     

改性氧化石墨烯对环氧树脂基复合材料热膨胀系数影响的研究

环氧树脂(EP)热膨胀系数(CTE)为65×10~(-6)℃~(-1),碳纤维(CF)CTE为-12×10~(-6)℃~(-1),因此降低EP的CTE是提高碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料低温使用性能的关键。采用氧化石墨烯(GO)和四氧化三铁改性氧化石墨烯(Fe_3O_4-GO)修饰EP,研究了GO及Fe_3O_4-GO对EP基体CTE的影响。结果表明:由于Fe_3O_4-GO表面的官能团可与EP基体形成共价键,从而加强了与EP基体的界面作用;相对于纯EP,GO和Fe_3O_4-GO改性EP的玻璃化转变温度(Tg)分别升高了3.71℃和5.74℃;相对于纯EP,GO和Fe_3O_4-GO改性EP在Tg下的CTE值分别降低了23.77%和33.61%,但在Tg上的CTE值均高于纯EP。     

热塑性塑料对环氧树脂热膨胀系数的影响研究

环氧树脂基体的热膨胀系数(CTE)对碳纤维增强环氧树脂层状材料的性能影响巨大,如何降低环氧树脂基体的CTE是提高碳纤维增强环氧树脂复合材料低温使用性能的关键。本研究采用聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)和聚醚酰亚胺(PEI)3种热塑性塑料改性环氧树脂,研究了这3种热塑性塑料对环氧树脂基体CTE的影响。结果表明:这3种热塑性塑料分子链中的羰基在环氧树脂固化过程中可与环氧分子侧链上的羟基形成氢键作用,从而加强了热塑性塑料与环氧树脂的界面作用;采用这3种热塑性塑料改性环氧树脂均可提高环氧树脂基体的玻璃化转变温度;相对于纯环氧树脂,PBT、PEI和PC改性的环氧树脂在玻璃化转变温度下的CTE分别降低了14.99%、17.44%和23.96%,但在玻璃化转变温度上的CTE均高于纯环氧树脂。     

Fe_3O_4@锂铝硅微晶玻璃/还原氧化石墨烯复合材料的制备和吸波性能

为了改善传统磁性吸波材料的阻抗匹配和提升吸波性能,将传统的磁性材料Fe_3O_4、透波材料锂铝硅微晶玻璃(LAS)和还原氧化石墨烯(RGO)进行复合,采用三步法制备Fe_3O_4@LAS/RGO磁性吸波复合材料。通过多种测试手段对其结构、形貌和组成进行表征,并分析其电磁参数和吸波性能。研究了基体氧化石墨烯(GO)添加量对Fe_3O_4@LAS/RGO复合材料的形成和吸波性能的影响,随着GO含量的增加,Fe_3O_4@LAS纳米球的分布变得稀疏,RGO堆叠程度变大。GO的质量分数为40wt%(Fe_3O_4与LAS摩尔比为1∶0.2)时,Fe_3O_4@LAS/RGO复合材料的吸波性能最佳,反射损耗在12.4GHz处达到-65dB,且仅需要2.1mm的匹配厚度,在该厚度下小于-10dB(超过90%的电磁波被材料吸收)的反射损耗达到4GHz。LAS作为涂覆在Fe_3O_4纳米球表面的透波层,引入了多重透射-吸收机制。     

氧化石墨烯的尺寸对碳纤维/环氧树脂湿热界面性能的影响

通过Hummers法获得两种尺寸的氧化石墨烯(GO),利用模压成型制备GO改性碳纤维增强环氧树脂复合材料(GO/CF/EP),并对复合材料进行湿热处理，利用层间剪切性能、动态热机械性能和微观形貌分析室温干态和湿热处理后复合材料的改性效果。结果表明：GO对复合材料的层间剪切强度和玻璃化转变温度均具有良好的改善作用；室温干态时两种尺寸GO对复合材料层间剪切强度的改善效果基本相同；随GO含量增加，小尺寸GO使复合材料的湿热层间剪切强度下降更快，GO含量为0.1%(质量分数，下同)时对复合材料的层间剪切性能改善作用较好，而GO含量为0.2%时对复合材料的玻璃化转变温度改善更好。随GO含量增加，GO-EP复合树脂基体的放热峰向低温移动，小尺寸GO使复合树脂的凝胶时间变短。微观形貌分析表明，GO的存在有利于增加复合材料破坏时的裂纹扩散路径，从而更有助于材料耗散裂纹尖端能量。     

磁热双重响应纳米Fe_3O_4/环氧树脂复合材料的形状记忆性能

以形状记忆环氧树脂EP5-60%为基体,掺杂改性磁性Fe_3O_4纳米粒子,制备了一系列磁和热双重响应纳米Fe_3O_4/环氧树脂形状记忆复合材料。红外测试表明,KH550成功改性了磁性Fe_3O_4纳米粒子,DSC测试确定热响应回复温度为80℃。当改性磁性Fe_3O_4纳米粒子质量分数为7%时,Fe_3O_4-7%/EP5-60%复合材料力学性能最佳,拉伸强度为29 MPa、断裂伸长率为37.3%。弯曲回复测试Fe_3O_4-7%/EP5-60%热响应形状记忆性能,其热响应形状记忆固定率(R_f)为99%,回复率(R_r)为97.9%。录像法记录Fe_3O_4-7%/EP5-60%磁响应形状回复过程时,25 min内能回复形变,磁响应回复率为93.3%。以上结果表明,利用Fe_3O_4纳米粒子的磁性,通过改性并控制好掺杂含量,可以制备性能较好的磁和热双重响应的纳米Fe_3O_4/环氧树脂形状记忆复合材料。     

纳米Al2O3改性玻璃纤维增强复合材料低温力学性能研究

简述了纳米Al2O3改性玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的制备,并对其常温、低温力学性能进行实验。结果表明,常温、低温下,复合材料的力学性能随着纳米Al2O3含量的增加都呈现先增强后减弱的趋势。低温处理使复合材料的力学性能得到提升,并且低温下Al2O3的引入对复合材料强度的改善效果比常温下明显,Al2O3含量为1%(质量分数)时,拉伸强度提高比例高达16.61%。其原因是低温下基体强度增大,另外基体热膨胀系数大,收缩明显,界面粘接强度增大,纳米Al2O3颗粒在界面处与树脂基体结合更深入,从而使纳米粒子阻碍微裂纹扩展的能力更强。     

Pd-Fe_2O_3/还原氧化石墨烯复合催化体系的制备及其电催化性能研究

以氧化石墨烯(GO)为平台,利用盐调控的方法、通过改变加入纳米钯(Pd NPs)和纳米氧化铁(Fe_2O_3NPs)的摩尔比以及Fe_2O_3 NPs的内在性质成功制备出一系列的Pd-Fe_2O_3/GO三元复合材料。再经NaBH4还原,可得到最终的Pd-Fe_2O_3/还原氧化石墨烯(RGO)复合材料。催化氧化甲酸实验表明,PdNPs和Fe_2O_3NPs之间存在协同催化效应,且Pd-Fe_2O_3/RGO(1∶0.5)催化性能最好。此外,实验还表明Fe_2O_3NPs形貌对PdNPs和Fe_2O_3NPs之间的协同催化效应有较大影响,且含较大比表面的Fe_2O_3-poNPs的Pd-Fe_2O_3-poNPs/RGO具有最大的催化活性。     

Fe_3O_4-ODA/GO/PANI复合材料的制备及其电容性能

在当今能源紧缺的情况下,超级电容器由于具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长等优点而被广泛应用于工业自动化控制、电力、国防以及新能源汽车等众多领域。本文以十八胺修饰的四氧化三铁纳米粒子(Fe_3O_4-ODA),氧化石墨烯(GO)以及苯胺单体为原料,通过原位聚合成功制备了Fe_3O_4-ODA/GO/PANI三元复合电极材料,其比电容高达516F/g,远高于二元复合材料GO/PANI和Fe_3O_4-ODA/PANI的比电容(分别为224F/g和345F/g)。并且,在1000次循环充放电之后,其容量仍可维持86.5%。此外,利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线粉末衍射(XRD)和傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)等手段对该复合材料的形貌和结构进行了表征。     

基于多尺度数值模型的复合材料各向异性热膨胀系数预测

依据复合材料内部纤维在基体内的排布规律及层合板铺层特性,基于多尺度方法,建立单层板和层合板代表性体积单元(RVE)模型,施加相应的边界条件,预测单层板的热膨胀系数和工程常数,进而预测复合材料层合板各向异性的等效热膨胀系数。通过与实验数据对比发现,基于正六边形单层板RVE模型预测的热膨胀系数,相比理论预测值,整体更接近实验值,其中预测的单向T300/5208碳纤维增强环氧树脂基复合材料、P75/934碳纤维增强环氧树脂基复合材料和C6000/Pi碳纤维增强环氧树脂基复合材料的横向热膨胀系数与实验结果的误差分别只有3%、1%和2%;采用单层板RVE预测的单向ECR/Derakane 510C玻璃纤维增强乙烯基酯树脂基复合材料的工程常数与实验值最大相差7.5%;层合板RVE模型预测的正交AS4/8552碳纤维增强环氧树脂基复合材料厚度方向的热膨胀系数与实验结果误差可以忽略,只有0.08%。最后以大型复合结构常用的正交铺层结构为研究对象,基于给出的单层板和层合板RVE模型预测了不同铺层复合材料烟道层合板的等效热膨胀系数,环向铺层比例对厚度方向的热膨胀系数影响较小。      

氧化石墨烯改性不同表面性质的碳纤维/环氧树脂复合材料的微观形貌与动态热力学性能

通过模压成型，采用氧化石墨烯(GO)对四种碳纤维(CCF300、T700、CCF800、CCM40J)织物/环氧树脂(CF/EP)复合材料进行改性，通过复合材料的微观形貌、动态热力学性能等研究了GO对四种不同表面性质的CF/EP复合材料的改性效果。研究表明，添加GO后，GO/EP对四种CF的浸润性均比EP明显提高，纤维与GO/EP间的界面黏接比与EP基体间的黏接明显改善；CF/EP复合材料的破坏主要发生在CF与EP的界面，而GO的存在使GO-CF/EP复合材料的破坏由CF与EP基体的界面向GO/EP区域过渡。CF表面的氧碳比和沟槽均显著影响复合材料的玻璃化转变温度(T_g)，具有最高表面氧碳比的GO-CCF300/EP复合材料表现出最高的T_g，但沟槽更丰富的CCM40J和CCF300碳纤维对CF/EP复合材料的T_g表现出更好的GO改性效果。      

氧化石墨烯改性碳纤维/环氧树脂复合材料的湿热性能及微观形貌

采用湿法预浸技术和模压工艺制备了氧化石墨烯(GO)改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料,研究了GO在室温干态及湿热处理后对CF/EP复合材料动态热力学性能和层间剪切性能的影响,并通过微观形貌分析了复合材料的改性机制。结果表明,当GO添加量分别为0.5%和0.8%时,GO-CF/EP复合材料的玻璃化转变温度(T_g)得到明显提高,由CF/EP复合材料的184.4℃分别提高到197.7℃和199.5℃;GO-CF/EP复合材料经湿热处理后,GO-CF/EP复合材料的T_g的保持率比CF/EP略低。GO添加量分别为0.05%和0.1%时,GO-CF/EP复合材料的层间剪切强度由CF/EP复合材料的59.7 MPa分别提高到70.2 MPa和72.2 MPa;GO-CF/EP复合材料进行湿热处理后,GO添加量为0.05%的GO-CF/EP复合材料和GO添加量为0.1%的GO-CF/EP复合材料层间剪切强度较CF/EP复合材料高,但GO-CF/EP复合材料的湿热后层间剪切强度保持率均低于CF/EP复合材料。力学损耗分析表明,GO有效提高了CF与EP基体间的界面黏结作用。微观形貌分析表明,GO的存在可有效分散裂纹能量并使裂纹发生偏转,使GO-CF/EP复合材料抵抗裂纹扩展的能力提高。      

纳米Al2O3/聚醚砜-环氧树脂复合材料的介电性能及热稳定性能

本实验制备了纳米Al_2O_3/聚醚砜-环氧树脂复合材料,考察了不同纳米氧化铝和聚醚砜的用量对复合体系力学和介电性能的影响,并对其热稳定性能进行了研究。结果表明:当添加1phr纳米氧化铝(Nano-Al_2O_3)和5phr聚醚砜(PES)时,三元复合材料EP/5PES/1Al_2O_3的拉伸强度提高到58 MPa,断裂伸长率达到13%,冲击强度达到16.2kJ/m~2,相比纯环氧树脂分别提高了61.1%、20.3%和8.0%。而且在100Hz的室温测试条件下,EP/5PES/1Al_2O_3材料的介电常数和介电损耗分别达到7.6和0.016,较纯环氧树脂均有一定幅度的增加。热重分析(TG)结果表明,EP/5PES/1Al_2O_3复合材料的初始分解温度为358℃,比纯环氧树脂提高了14℃,说明热稳定性有较大幅度的提高。     

BN&AlN&SiC/环氧树脂复合材料线膨胀系数对LED寿命的影响

在全球大规模推广使用LED照明的今天,使用寿命是制约LED发展的瓶颈,其中,封装材料的线膨胀系数对大功率LED的使用寿命具有重要的影响。由于大功率LED粘接层材料比其相邻材料的线膨胀系数大,在循环工作时各层之间的膨胀收缩不一致,导致层与层之间产生翘曲裂纹现象,从而影响LED的使用寿命。文中采用向环氧树脂(EP)中分别加入氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)微粉颗粒制备出3种——BN/EP、AlN/EP、SiC/EP复合材料,并对其进行对比分析。研究结果表明,BN/EP复合材料性能最佳,线膨胀系数可降至3.86×10-5 K-1。且当BN质量分数为55%时,导热系数达到1.598 W/(m·K),粘接强度为53.83 MPa。与纯环氧树脂相比,可使1 W LED芯片结温降低约29.6℃,寿命提高约2.2×104 h。     

Improved fracture toughness and fatigue life of carbon fiber reinforced epoxy composite due to incorporation of rubber nanoparticles

In this study, core–shell rubber (CSR) nanoparticles with approximate particle size of 35 nm were used as a modifier for the epoxy polymer. The effects of various CSR contents in the epoxy matrix on mode I interlaminar fracture toughness, tensile strength, and fatigue life of the carbon fabric reinforced epoxy (CF/EP) composites were investigated. The experimental results showed that the mode I interlaminar fracture toughness at crack initiation and propagation significantly improved by 71.21 and 58.47 %, respectively, when 8.0 wt% CSR was dispersed in the epoxy matrix. The fatigue life of the modified CF/EP composites at all of CSR contents dramatically increased 75–100 times longer than that of the unmodified CF/EP composites at high cycle fatigue while tensile strength slightly increased by about 10 %. Field emission scanning electron microcopy (FESEM) observations of the fracture surfaces were conducted to explain failure mechanisms of CSR addition to the CF/EP composites. The evidences of the rubber nanoparticle debonding, plastic void growth, and microshear banding were credited for delaying the onset of matrix crack, and reducing the crack growth rate, as a result, attributed to increase in the mechanical properties of the CF/EP composites.     

碳纤维-氧化石墨烯/环氧树脂复合材料的制备及表征

采用改进的Hummers法制备了五种具有不同氧化程度的氧化石墨烯（GO）。借助元素分析、X射线光电子能谱及FTIR红外光谱测试对所制备GO的组成及结构衍变进行了表征。利用光学显微镜对不同GO在固化剂异佛尔酮二胺（IPDA）中的分散状态进行观察,并将分散效果最佳的GO试样用于改性碳纤维/环氧树脂（CF/EP）复合材料。结果表明,随着氧化剂用量及反应时间的增加,GO的氧化程度也随之增加。在氧化程度较低时,GO表面官能团主要以羰基、羧基和酚羟基为主。随着氧化程度的不断提高,GO表面官能团主要为醚、环氧和醇羟基结构。GO在IPDA中的分散状态与其氧化程度密切相关,氧化程度最低和最高的GO均出现明显的聚集现象。另外,GO表面在分散过程中可被IPDA化学改性。在EP基体中加入分散效果最佳的GO（0.2wt%）后,与CF/EP复合材料相比,CF-GO/EP复合材料的弯曲强度、层间剪切强度和Ⅱ型层间断裂韧性分别提高了14%、17%和14%。     

Enhancement of ablative and interfacial bonding properties of EPDM composites by incorporating epoxy phenolic resin

Effects of epoxy phenolic resin (EPR) on ablative and interfacial bonding properties of EPDM composites were evaluated. Ablative properties of EPDM composites were enhanced by two folds with incorporating 10 phr EPR. This significant enhancement was attributed to positive effect of EPR on thermal stability and thermal insulating properties of EPDM composites as well as formation of compact char layer onto composites. Furthermore, interfacial shear strength of EPDM composites with carbon fiber/epoxy (CF/EP) composites was increased by 55.6% with incorporating 10 phr EPR, due to interfacial chemical reaction of epoxide groups of EPR molecule from EPDM composites with amine group of hardener from CF/EP composites.     

CIP/GF/CF/EP吸波复合材料的制备及力学性能

为制备兼具力学性能和电磁吸收性能的结构型吸波材料,采用真空辅助成型工艺设计制备一种以羰基铁粉(CIP)为吸收剂,玻璃纤维(GF)为透波层,碳纤维(CF)为反射层,环氧树脂(EP)为基体的吸波复合材料。研究了不同质量比CIP/EP对吸波复合材料力学性能和微波吸收性能的影响。通过FTIR和DSC分析可知CIP未与EP发生化学反应。SEM结果表明CIP能够在EP树脂基体中均匀分散,不趋向于纤维表面。力学测试分析结果显示:当CIP/EP质量比达到30%时,CIP/GF/CF/EP复合材料的力学性能最佳,拉伸强度为347.56MPa,拉伸模量为25.99GPa,较纯GF/CF/EP复合材料提升了4.3%和5.7%;弯曲强度为339.6MPa,弯曲模量为23.7GPa,较纯GF/CF/EP复合材料提升了18.2%和71.2%。矢量网络分析可知复合吸波板的吸波性能随CIP含量的增加而增加,且吸波损耗反射峰值朝低频段移动。     

Multifold interface and multilevel crack propagation mechanisms of graphene oxide/polyurethane/epoxy membranes interlaminar-toughened carbon fiber-reinforced polymer composites

Graphene oxide/polyurethane/epoxy (GO/PU/EP) membranes were directly fabricated by functionalization of graphene oxide with epoxy-grafted polyurethane (GO-UE), and the interface correlation and crack propagation mechanisms in GO/PU/EP membranes interlaminar-toughened carbon fiber-reinforced polymer composites were investigated. The functionalized GO-UE with corrugation and scrolling nature of graphene sheets was evenly dispersed in GO/PU/EP membranes below 0.50 wt% loading. Mode I fracture toughness, flexural properties and interlaminar shear strength of GO/PU/EP membranes-toughened composites were enhanced in comparison with untoughened composites and PU/EP membranes-toughened composites, which was ascribed to the multifold interface bonding between the GO-UE layers, epoxy matrix and carbon fiber. Schematic models of multilevel crack propagations were proposed based on different crack extension directions to GO-UE and the morphology evolutions of GO-UE in the interlaminar region and at the carbon fiber interface in toughened composites, which highlighted the toughening mechanisms of crack pinning, crack deflection and separation between GO-UE layers.