氧气等离子体处理对CFRP表面特性及胶接界面力学性能的影响EI北大核心CSCD

为改善碳纤维增强复合材料(CFRP)胶接界面力学性能,采用低温氧气等离子体处理设备对CFRP进行表面处理。利用接触角测量仪、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)对CFRP表面润湿性、表面能、表面形貌、表面化学组分等进行表征,通过双悬臂梁实验(DCB)对CFRP胶接界面力学性能进行研究。结果表明:随氧气等离子体处理时间从0 s增加至30 s,表面水接触角从97°降至29°,CFRP表面润湿性达到最佳,极性分量占比显著增多;随处理时间的增加,CFRP表面粗糙度和最大高低差降低,形成较多谷峰分布的纳米级沟壑,基体表面积增大;同时,表面C—O和C■O等含氧极性官能团含量明显增加,C—C/C—H和Si—C官能团含量减少,表面污染物得到有效清除和转化;与未处理相比,经氧气等离子体处理20 s后,CFRP胶接界面最大剥离载荷和Ⅰ型断裂韧度分别提高了1.01倍(62.73 N)和1.92倍(649.21 J/m 2)。研究发现,氧气等离子体处理可以显著改善CFRP表面物理化学特性,有利于CFRP与胶黏剂更好的黏结,提高胶接界面剥离强度与韧性。     

聚酯基炭分子筛复合膜的制备及气体分离性能研究

以双酚A（BPA）和均苯三甲酰氯（TMC）为单体通过界面聚合的方法在卷式炭膜上合成聚酯,制备了聚酯基炭分子筛复合气体分离膜,考察了界面聚合工艺条件如界面聚合反应时间、有机相及水相单体浓度、热处理时间、不同有机相溶剂及聚合反应次数对复合膜气体分离性能的影响,确定了最佳制备工艺条件.并通过热重（TG）、红外光谱（IR）及扫描电子显微镜（SEM）分析手段对复合膜的热稳定性、分离层的化学结构和表面形貌进行表征与分析.以最佳工艺条件下界面合成制备的聚酯膜经炭化制备了聚酯基复合炭膜,并测试其气体渗透性能,研究表明,在最佳工艺条件下制备的聚合物复合膜,其O₂和N₂的渗透通量分别为6.59×10^-10mol/（m²·s·Pa）和2.92×10^-10mol/（m²·s·Pa）,O₂/N₂的分离系数为2.25;炭化后制备的复合炭膜其O₂和N₂的渗透通量分别增加为3.71×10^-9mol/（m²·s·Pa）和1.19×10^-9mol/（m²·s·Pa）,O₂/N₂的分离系数则提高到3.1 2.     

纳秒激光调控CFRP复合材料表面润湿性及其对胶接性能的影响

采用纳秒激光对碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料进行表面预处理,调控其表面成分、粗糙度和表面润湿性,然后采用SEM、接触角测量仪、光学轮廓仪、XPS等表征CFRP复合材料的表面微观形貌、接触角、粗糙度和化学成分,并通过拉伸剪切实验评价和分析激光表面处理对CFRP复合材料胶接强度的影响规律和机制。结果表明:优化激光表面处理参数,可以去除CFRP复合材料表面的环氧树脂胶,调控其表面成分、粗糙度和表面润湿性;与未处理的CFRP复合材料相比,激光表面处理后的CFRP复合材料表面化学成分改变,表面粗糙度有所增加,润湿性提高,胶接强度也增大;与未处理CFRP复合材料相比,激光离焦量分别为5 mm、10 mm和15 mm时,处理后的CFRP复合材料胶接强度分别提高了129.41%、112.13%和105.88%;激光表面处理CFRP复合材料的表面润湿性和表面粗糙度均高于机械处理CFRP复合材料,但激光处理导致的热损伤对胶接强度提高有负面影响。      

搭接长度和铺层方式对CFRP复合材料层合板胶接结构连接性能和损伤行为的影响

针对不同搭接长度和铺层方式的碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料层合板单搭胶接结构进行了拉伸试验,观察了试件的受力过程和失效形态,获得了载荷-位移曲线;同时基于连续损伤力学模型和三维Hashin失效准则模拟了CFRP复合材料层合板的层内损伤形成和演化,并利用内聚力模型来模拟层间及胶层的失效损伤,对CFRP复合材料层合板单搭胶接结构在拉伸作用下的失效强度和损伤机制进行了预测,通过对比验证了该数值方法的有效性;通过数值试验比较不同搭接长度和铺层方式的单搭胶接结构及双搭胶接结构的连接强度和损伤行为,并提出了一种优化的CFRP复合材料层合板胶接结构。结果表明:CFRP复合材料层合板胶接结构的极限失效载荷随着搭接长度的增大逐渐增加并趋于稳定值,且结构的失效形式逐渐从胶层自身剪切失效过渡到邻近胶层的层合板层间分层失效;CFRP复合材料层合板胶接结构的连接强度和损伤行为随着铺层方式的不同而改变,通过对3种铺层方式的对比和分析,得到性能最好的铺层方式是[0₃/90₃]_2S;在搭接长度为5~20 mm时,通过对搭接长度进行优化,得到单搭胶接结构的最优搭接长度是17 mm,双搭胶接结构的最优搭接长度是19.3 mm,与搭接长度为20 mm相比,单搭胶接结构和双搭胶接结构的连接强度分别提高了13.26%和0.43%。      

碳纤维增强双马来酰亚胺树脂预浸料铺覆黏性及其储存老化行为

将碳纤维增强双马来酰亚胺树脂预浸料CCM40J/HT-280分别置于4种储存环境（真空、N₂、O₂、空气）进行室温老化实验,研究了预浸料铺覆黏性与储存环境和老化时间的关系,对不同环境下黏性失效前后的样品进行了DSC、流变、红外光谱分析。针对不同黏性级别的预浸料,采用热压罐成型工艺制备了复合材料层合板,对层合板内部成型质量及复合材料力学性能进行了研究。结果表明,真空和N₂环境储存下的CCM40J/HT-280预浸料黏性失效周期相比于O₂与空气中的样品延长约40%。DSC和流变测试结果表明,老化后树脂的交联程度大于新鲜树脂,树脂最低黏度也显著增大,O₂环境下的样品表现的更为明显;对红外光谱特征峰分析表明,O₂环境储存条件下树脂交联反应程度高于真空环境,说明O₂对双马来酰亚胺树脂室温下的老化具有促进作用。黏性失效的预浸料制备的CCM40J/HT-280复合材料内部多为层间或层内的密集孔隙,其弯曲强度下降约13.0%、弯曲模量下降约6.5%,层间剪切强度下降约10.7%。      

纳米SiO2质量分数对胶粘碳纤维增强树脂复合材料板-钢搭接界面黏结性能的影响

胶黏剂力学性能对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢结构的界面黏结性能影响显著。基于研制的胶黏剂配比,分析了不同纳米SiO₂质量分数对胶黏剂常温固化后基本力学性能及微观结构的影响,制作了31个CFRP板-钢板双搭接试件,对其进行了常温固化后的承载能力、有效黏结长度、传力模式、黏结-滑移本构等试验研究,得出了纳米SiO₂质量分数对CFRP板-钢板搭接试件界面黏结性能的影响规律,并与常用商品胶黏剂进行了比较。研究结果表明:随纳米SiO₂质量分数的增加,胶黏剂应力-应变关系由线性转变为非线性,应变能、断裂伸长率及剪切强度分别最高提升了292.10%、202.88%和133.12%。微观结构分析表明纳米SiO₂的添加使断面粗糙度显著增加,形成了密集的塑性空穴,产生了更多的微裂纹,使胶黏剂的韧性大幅度提高。当纳米SiO₂质量分数从0增至1wt%,搭接试件破坏模式由界面破坏逐渐变为CFRP板层离破坏。掺入纳米SiO₂能显著增加搭接试件的极限承载力(提升256.96%)及界面有效黏结长度(提升3倍),提高CFRP表面的应变及界面剪应力峰值。纳米SiO₂质量分数为0与0.5wt%的搭接试件的黏结-滑移曲线为双线性三角形模型,纳米SiO₂质量分数为1wt%的搭接试件的黏结-滑移曲线为三线性梯形模型,黏结界面韧性大幅提升。CFRP-钢界面承载能力受胶黏剂拉伸强度与断裂伸长率的双重影响,非线性高强度(即具有较高应变能)胶黏剂对应的CFRP-钢搭接接头具有更好的界面性能。      

聚四氟乙烯网格状人工缺陷对复合材料胶结结构力学性能的影响

通过在胶接接头界面处插入网格状的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜作为人工缺陷,设计了5种不同PTFE缺陷网格含量(P)的复合材料胶接结构,采用工业CT和超声C扫的无损检测(NDT)手段对置入的PTFE网格进行检测,利用单搭接测试(SLJ)和Ⅰ型断裂韧性测试(DCB)进行力学性能表征。相比于超声C扫,工业CT可以清晰检测出置入的PTFE网格。SLJ结果表明,当P值低于10%时,胶接接头的剪切强度从13.85 MPa增加到15.15 MPa;当P值超过10%时,剪切强度随缺陷值增加而下降。SLJ胶接接头破坏形貌表明,随缺陷值的增加,失效模式从内聚失效转向混合失效,最后变成界面失效。DCB结果表明,G_IC随缺陷值增加呈现先升后降趋势,裂纹扩展状态从近稳定连续转向“粘-滑”的不稳定扩展。     

超声强化氨基化多壁碳纳米管改性环氧黏接接头性能研究

目的 探究超声处理对氨基化多壁碳纳米管(MWCNTs–NH₂)改性环氧黏接接头黏接性能和热稳定性的影响,为强化MWCNTs–NH₂改性环氧胶黏剂与铝合金的黏接提供参考。方法 通过机械搅拌与声波破碎的方法将质量分数为0.75%的MWCNTs–NH₂添加到环氧胶黏剂基体中,使用MWCNTs–NH₂改性环氧胶黏剂制备铝合金黏接接头,基于超声辅助黏接工艺在铝合金黏接过程中进行超声处理。通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分析MWCNTs–NH₂改性环氧胶黏剂基体官能团的变化情况。采用单搭接剪切强度试验测定黏接接头的拉伸剪切强度。通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)观察黏接接头拉伸失效断面以及铝合金与胶黏剂间的黏接界面。通过热失重分析仪(TGA)测试并记录胶黏剂试样质量随温度变化的曲线。结果 经超声处理后,MWCNTs–NH₂与树脂基体间的化学反应增强。与纯环氧黏接接头相比,超声处理后的MWCNTs–NH_2...     

PMDA-ODA型聚酰亚胺炭/碳纳米管杂化膜的制备及气体分离性能研究

针对现有气体分离炭膜存在的渗透速率低等问题, 提出并设计在PMDA-ODA型聚酰亚胺前驱体中掺杂碳纳米管, 经高温热解后制备炭/碳纳米管杂化膜. 分别采用透射电镜(TEM)、X射线衍射分析(XRD)和气体渗透实验对炭/碳纳米管杂化膜的微观结构和分离性能进行表征. 实验结果表明, 在PMDA-ODA型聚酰亚胺前驱体中掺杂碳纳米管后, 碳纳米管与炭基体之间形成明显的“界面间隙”, 打破了原有炭膜中由乱层炭构成的无序微孔结构, 重新构建了杂化炭膜的孔隙结构. 与纯炭膜相比, 杂化炭膜的气体渗透速率大幅增加, 其中O₂的渗透速率增大接近4倍(达到1576 Barrer), 而O₂/N₂的分离选择性仅降低17%.     

气相色谱法测定高纯溴化氢中的微量杂质

提出了一种溴化氢中微量气体杂质的分析方法,采用配备反吹气路的氦离子化检测器的气相色谱仪实现了高纯溴化氢中微量H₂、O₂、N₂、CO、CH₄及CO₂的分离检测。     

改性炭纤维增强聚四氟乙烯复合材料的制备

研究了不同处理条件对复合材料拉伸、摩擦性能的影响,并对拉伸断口及磨损表面形貌进行了分析。结果表明,Ar等离子体处理、聚四氟乙烯乳液包覆的炭纤维能有效增大复合材料界面结合力并提高拉伸强度;当处理时间为9 min时,复合材料的拉伸强度为24.3 MPa,断裂伸长率为340%,磨损率为2.4×10-6mm3/N.m;与纯PTFE相比,拉伸强度和断裂伸长率分别提高了48%和100%,磨损率下降55.6%。     

炭纤维表面处理对CF／PI复合材料界面性能的影响

在基体和成型工艺一定的条件下,炭纤维(CF)的表面状态决定了复合材料的界面性质通过空气冷等离子体处理、表面接技NA-酸酐和表面徐没涂层的方法对炭纤维进行表面改性:采用界面微脱粘测试技术表征不同表面处理方法对炭纤维/聚酰亚胶树脂复合材料界面剪切强度的影响;并应用TEM和图像处理技术对其界面进行直观表正计算出不同界面层厚度     

管状复合炭膜的制备及其气体渗透性能

以中空纤维陶瓷膜为载体，聚芳醚酮为聚合物前驱体，采用浸涂-相转化结合的方法制备复合炭膜，探讨了制膜工艺对复合炭膜结构及性能的影响.结果发现，铸膜液浓度和提拉速率对膜的完整性影响较大，在15%质量分数铸膜液和2 cm/min提拉速率的条件下，可制备出表面膜层完整均一且兼具较高气体渗透通量的复合炭膜；通过控制制备前驱体膜过程中蒸发温度和蒸发时间，复合炭膜分离层缺陷大幅减少，气体分离选择性得到了显著提升.以15%铸膜液和2 cm/min提拉速率，在60℃蒸发温度及10 s蒸发时间的制膜工艺条件下制备出的复合炭膜，其O₂/N₂、CO₂/N₂和CO₂/CH₄选择性分别为5.62、26.27、25.10,O₂、CO₂渗透通量分别可达252、1 177 GPU.     

退火气氛对镶嵌在SiO2中Ag纳米颗粒热演变影响效应的研究

将70 keV的Ag离子以5×10¹⁶ cm^-2的剂量注入到SiO₂基底中, 随后分别在400~800℃的Ar、N₂、空气气氛中退火, 详细研究了样品的表面形貌、光吸收特性、结构及成分随退火气氛及退火温度的变化规律。原子力显微镜、紫外-可见分光光度计及掠入射X射线衍射仪的测试结果显示: Ar气氛退火样品中形成的Ag纳米粒子(NPs)细小均匀, 其颗粒密度在700℃时达到最大值, 光吸收性能最佳; N₂气氛退火引发Ag纳米颗粒的团聚生长, 在样品近表面形成较大的Ag NPs, 其颗粒密度也在700℃时达到最大值; 而空气中退火后, 由于AgO的形成、分解, 样品的光吸收强度随退火温度升高持续下降。最后, 卢瑟福背散射研究结果表明, 样品的这些变化主要归因于Ag原子在不同退火气氛下随退火温度的扩散行为不同。     

丙烷-氧气预混气体的火焰传播及点火特性

采用有机玻璃管装置,研究了丙烷-氧气预混气体在管道中的火焰传播特性及最小点火能。研究表明:3种惰性气体(CO₂、N₂、Ar)均明显降低了预混气体火焰在管道中的加速进程;其中,CO₂抑制效果最为显著,其次是N₂和Ar。点火敏感电极间距为2 mm。最小点火能（E）随混合气体初始压力的增大而减小,初始压力为100 kPa时,0.16 mJ＜E ＜0.32 mJ;当压力降至30 kPa时,2.00 mJ＜E ＜3.00 mJ。     

碳纤维电化学氧化表面处理效果的动态力学热分析研究

利用动态力学热分析(DMTA)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)对聚丙烯腈基(PAN)碳纤维电化学氧化表面处理效果进行了研究。研究结果表明,DMTA谱图中经电化学氧化处理的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)其损耗角正切(tanδ)较未处理的降低30％,玻璃化温度(T_g)与tanδ峰值的变化可以有效地表征PAN基碳纤维表面处理的效果。这一结论与SEM观察CFRP断口形貌的结果相符。经定量计算出的界面粘结参数A和α与CFRP的层间剪切强度(ILSS)所反映的碳纤维与树脂间界面粘结效果是一致的。同时,XPS表面化学分析表明,经电化学氧化处理后的碳纤维表面羟基含量提高55％及活性碳原子数增加18％,采用适当的处理条件可使CFRP的ILSS提高20％以上。      

铝合金磷酸阳极化及胶接性能分析

采用磷酸阳极化方法对铝合金试片进行了处理并测试了其粘接性能.测试了铝合金试片表面预处理和阳极化后的性能,研究了阳极化工艺参数对接头胶接性能的影响,观察了磷酸阳极化处理后的铝合金试片的表面形貌和其与胶粘剂粘接时的粘接界面,分析了其粘接拉剪破坏的失效模式.结果表明,金属表面预处理和阳极化不影响铝合金试片的性能.阳极化处理不仅改变了铝合金胶接表面的材料组成,而且在铝合金试片粘接表面形成厚度可达90μm、凹凸不平的、多孔的膜.胶接时胶粘剂能够渗透进入阳极化铝合金表面孔洞并在粘接界面形成厚度约为20μm的过渡层.阳极化处理提高了铝合金粘接副之间的拉剪强度,其最大拉剪强度为45.99MPa,其接头拉剪破坏模式为混合破坏,而未阳极化的铝合金胶接副的拉剪强度只有13.59 MPa.     

乳液涂敷制备硅橡胶富氧膜

实验制备了聚二甲基硅氧烷/聚砜（PDMS/PS）富氧膜,并考察其富氧性能,分别制备了溶剂型羟基硅橡胶富氧膜和乳液型羟基硅橡胶富氧膜,评价其渗透速率Q和分离系数α（O₂/N₂）,得出了二者在性能上的差异,发现溶剂型富氧膜渗透速率Q（O₂）是乳液型富氧膜Q（O₂）的3～4倍,而乳液型富氧膜的分离系数α（O₂/N₂）比溶剂型富氧膜略好,并且以水代替有机溶剂,采用硅橡胶水乳液作为涂敷材料进行乳液涂敷,制备的乳液型富氧膜相对于传统的溶剂型富氧膜,具有环保、安全和经济等特点.该方法制备的富氧膜同时也具有较好的富氧效果,其氧气渗透速率Q（O₂）在113 GPU左右,分离系数α（O₂/N₂）能达到2.0.     

铺层方式对CFRP-铝合金单搭接胶接接头低速冲击损伤及剩余拉伸性能的影响

采用热压罐成型方法制备铺层方式为[+45/-45]_4s、[0/+45/-45/90]_2s和[0/90]_4s的碳纤维复合材料层合板,通过胶黏剂与铝合金板进行粘接获得异质材料单搭接胶接接头。利用落锤冲击试验机和万能电子试验机分别对三种接头进行低速冲击与冲击后静态拉伸测试,获得接头接触力-时间曲线和拉伸强度。通过CT扫描技术和数字图像相关(DIC)方法表征接头冲击损伤模式及表面应变演化过程,研究了铺层方式对接头抗冲击性能、冲击损伤模式以及剩余拉伸性能的影响。结果表明,复合材料铺层方式为[+45/-45]_4s时,接头在冲击载荷作用下具有较高的抗冲击性能,但胶层界面脱粘损伤较为严重。与胶层界面脱粘相比,接头剩余强度对层合板分层损伤更为敏感。相较于[+45/-45]_4s,[0/+45/-45/90]_2s和[0/90]_4s铺层方式接头的胶层界面脱粘范围与冲击后失效载荷退化程度较小,同时接头冲击后拉伸载荷主要集中于临近胶层的0°铺层且失效模式较为复杂...     

协同处理对湿热环境下木粉/聚乙烯复合材料表面性质演变的影响

采用硅烷偶联剂涂覆与等离子体放电协同处理的方法处理木粉/聚乙烯(WP/PE)复合材料表面,以改善其胶接性能。利用胶接强度测试、FTIR和X射线光电子能谱研究了硅烷偶联剂涂覆和等离子体放电的协同表面处理对WP/PE湿热环境下表面性质演变的影响,探究协同处理的WP/PE胶接接头湿热环境下的胶接耐久性。结果表明,协同处理后,WP/PE表面有含氧极性基团生成,且在偶联剂与材料表面之间形成了化学键接,胶接性能大为改善。湿热环境下,虽然处理试样的表面没有新的化学基团产生,但表面元素的化学环境发生了改变。WP/PE表面在湿热环境下的性质演变会直接影响其胶接接头的耐久性。协同表面处理能够降低湿热环境下WP/PE表面性质的改变程度,从而提高WP/PE的胶接性能,尤其是湿热环境下的胶接耐久性能。