植物纤维增强生物质基聚氨酯复合材料研究进展

以生物质原料如木质纤维、植物油等为起始原料,制得生物质基多元醇,进而得到生物质基聚氨酯,这种聚氨酯与植物纤维复合所得的材料具有良好的力学性能。在植物纤维增强树脂基复合材料中,亲水性的植物纤维与疏水性的树脂基体相容性较差,对植物纤维进行表面改性可改善其相容性。碱处理可除去纤维表面的杂质、半纤维素和木质素,使表面粗糙度增加,有利于纤维与基体之间形成机械互锁,增强界面结合。纤维形态和纤维含量对其在基体中的分散性、界面性质以及复合材料的力学性能都有影响。长纤维容易缠绕,产生应力集中;粒状纤维尺寸较小时,界面结合较好;纤维含量过高时在基体中的分散和浸润性变差。植物纤维的亲水性促进了复合材料的吸水,更易于生物降解。     

植物纤维改性方法及其增强复合材料研究进展

植物纤维增强的复合材料具有低成本、降解性能良好的特性,但植物纤维与被增强材料之间存在着界面相容性较差的问题。因此,需通过合适的处理对植物纤维进行表面改性,以改善纤维与被增强材料之间的界面相容性,提高复合材料的力学性能。简要介绍了植物纤维的结构和性质,综述了近年来植物纤维改性方法对纤维和纤维增强的复合材料性能的影响。最后分析了各种方法的优缺点并对植物纤维的改性技术和复合材料的未来发展趋势进行了展望。     

天然植物纤维复合材料界面改性研究进展

天然植物纤维基复合材料性能优异,但天然植物纤维独特的结构性能,致使其与聚合物复合还存在诸多问题。提高天然植物纤维在聚合物基体中的分散性,增加纤维与聚合物基体的相容性对于提高天然植物纤维复合材料力学性能有着至关重要的作用。概述了天然植物纤维及其复合材料制备在界面改性方面的研究进展,总结了纤维改性对复合材料性能的影响,目前天然植物纤维改性处理的方法主要有热处理法、碱处理法、偶联剂法、酰化法、表面接枝法、复合处理法等。随着天然植物纤维改性研究的不断深入,天然植物纤维基复合材料应用前景将更加广阔。     

玄武岩纤维的表面修饰及生态环境复合过滤材料的制备与性能研究

探讨了酸、碱、水等介质对玄武岩纤维的刻蚀以及对其性质影响的可能性,测定了玄武岩纤维的组成,计算了玄武岩纤维的酸度系数和pH值。在对玄武岩纤维进行软化、硅烷偶联剂表面活化处理的基础上,利用玄武岩纤维和植物纤维进行杂化,制备了生态环境复合过滤材料。通过扫描电镜及红外光谱对其微观结构及其形成的机理进行了研究。结果表明,玄武岩纤维在植物纤维中均匀弥散,无机纤维和有机纤维各自的优良特性得到了充分的发挥。利用无规线团模型对其结构进行了描述,采用逾渗模型对其过滤性能进行分析,并讨论了打浆度、玄武岩纤维含量、胶粘剂等因素对复合材料性能的影响。制备的复合材料具有可重复使用、性能价格比高、对环境无二次污染,符合对环境协调、友好的生态环境材料的绿色化要求。      

植物纤维增强的生物质复合材料微观机理及力学性能研究

为了解决生物质复合材料中淀粉基质与植物纤维分子间的表面结合问题,探究淀粉/纤维预处理对二者分子间氢键形成的影响,提高生物质复合材料的力学性能,在多年研究的基础上,优化成分配伍,分别制备了剑麻纤维、纸浆纤维、稻草纤维和木质纤维增强的生物质复合材料。通过红外光谱实验,研究了热塑性淀粉的化学键变化和复合材料制品化学键的变化机理,对比了4种复合材料中淀粉和纤维分子间氢键的强弱。拉伸强度和压缩强度实验结果表明,剑麻纤维增强的复合材料的拉伸强度最高可达3.75 MPa,压缩强度最高可达1.26 MPa,远远好于纸浆纤维、稻草纤维和木质素纤维复合材料。SEM图像显示了热塑性淀粉和生物质复合材料的微观结构形态。     

氧化石墨烯改性玄武岩纤维及其增强环氧树脂复合材料性能

为了改善玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的界面性能,通过偶联剂对氧化石墨烯进行改性,并将改性后的氧化石墨烯引入到上浆剂中对玄武岩纤维进行表面涂覆改性,同时制备了氧化石墨烯-玄武岩纤维/环氧树脂复合材料.采用FTIR表征了氧化石墨烯的改性效果;运用SEM分析了改性上浆剂处理对玄武岩纤维表面及复合材料断口形貌的影响和作用机制.结果表明:偶联剂成功接枝到氧化石墨烯表面;玄武岩纤维经氧化石墨烯改性的上浆剂处理后,表面粗糙度及活性官能团含量增加,氧化石墨烯-玄武岩纤维/环氧树脂界面处的机械齿合作用及化学键合作用增强,界面黏结强度得到改善,玄武岩纤维的断裂强力提高了30.8%,氧化石墨烯-玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度提高了10.6%.     

连续碳化硅纤维增强钛基(SiCf/Ti)复合材料的制备技术及界面特性研究综述

连续碳化硅纤维(SiCf)由于具有比强度、比模量高,耐磨性、热稳定性好等性能优点,常作为增强体制备SiC纤维增强钛基复合材料。与钛合金基体相比,其具有密度更低、强度更高、疲劳蠕变性能大幅提升等优点,但横向性能却明显下降。因此,该类材料常被设计制作成单向增强性部件,广泛应用在航空航天等领域,如发动机的传动轴、整体叶环、盘类及风扇叶片等多种复合材料的结构件。碳化硅纤维增强钛基复合材料的性能主要由碳化硅纤维的性能、基体性能及纤维与基体之间的结合界面性能决定。目前批量生产的SiC纤维性能较差,界面结合状态与复合材料性能之间关系的研究开展较少,还不能为钛基复合材料构件设计提供足够的数据支持。因此,近年来研究者们主要从SiCf/Ti基复合材料力学行为的研究角度出发,探究不同基体及纤维类型、复合材料制备工艺方法、界面特性及产物对SiCf/Ti基复合材料界面结合力及破坏机制的影响,获得了大量有价值的数据,以期开发出成本低、产物稳定性好、可批量生产SiCf/Ti基复合材料的制造工艺方法。目前较为成熟的碳化硅纤维有英国DERA-Sigma公司提供的Sigma系列SiCf及美国Textron公司提供的SCS系列SiCf,后者强度最高达到6 200 MPa。SiCf/Ti基复合材料的制备工艺包括金属箔-纤维-金属箔工艺(FFF)、单层带工艺(MT)、基体-涂层纤维工艺(MCT)等,制备复合材料的工艺根据零部件的用途来定,FFF适用于制备板材等大尺寸构件,MCT适用于制备叶环、轴、管、叶片等复杂结构件。界面是增强体与基体之间的纽带和桥梁,界面结构设计、界面反应控制及反应产物均影响着界面的力学特性。在SiCf/Ti基复合材料的纤维和基体之间添加过渡层能够减缓它们之间的相互扩散及化学反应,过渡层选用反应层和惰性涂层组成的双层涂层较好。界面反应产物受涂层成分、基体组织、复合和热处理工艺、环境因素等的影响,增强纤维及基体性能、优选制备工艺、控制界面反应及产物有利于提高复合材料的力学性能。本文总结了连续SiC纤维(SiCf)增强钛基复合材料的应用研究现状,详述了SiCf/Ti基复合材料的钛合金基体材料、SiCf的种类及性能,SiCf与SiCf/Ti基复合材料的制备方法,分析了SiCf/Ti基复合材料界面结构设计及反应产物,阐明了界面力学特性与复合材料性能的关系,指出国内SiCf/Ti基复合材料发展的重点应放在高性能SiC纤维的研究与开发、界面层设计及界面与性能的关系以及复合材料分析检测手段三个方面,为SiCf/Ti基复合材料的制备及其今后的实际应用提供了参考。     

玄武岩纤维全缠绕压力容器的研制与验证

选用玄武岩纤维为增强材料,制备了NOL环试样,进行了湿热处理和剪切试验验证。根据网格理论,针对2.4 L玄武岩纤维缠绕气瓶进行了复合层设计,确定了纤维缠绕厚度和缠绕角度,对所制样品进行了疲劳及爆破试验验证。结果表明:玄武岩纤维复合材料较玻璃纤维复合材料具有更优的界面粘结和湿热老化特性,所制备的气瓶经过0-21~(+0.2)-0 MPa压力循环的10 000次疲劳实验后未发生泄漏;爆破压力为77.1 MPa,验证了设计的合理性。     

三种壳类植物纤维/聚氯乙烯复合材料性能比较

以壳类植物纤维(榛子壳、椰壳、稻壳)为填料,以聚氯乙烯(PVC)为基体,采用挤出成型工艺制备三种壳类植物纤维/PVC复合材料。对三种壳类植物纤维进行了成分分析;对三种壳类植物纤维/PVC复合材料进行了力学性能和吸水性能测试,并进行了FTIR和TG-DSC联用法分析,用SEM观察了复合材料断面微观结构。结果表明:三种壳类植物材料中,稻壳纤维素含量最高,稻壳纤维/PVC复合材料有较好的结合界面和力学性能,稻壳纤维/PVC复合材料弯曲强度为69.79 MPa,分别比椰壳纤维/PVC和榛子壳纤维/PVC复合材料高4.34%和24.87%。三种壳类植物纤维/PVC复合材料24h吸水率均小于1%,其中椰壳纤维/PVC复合材料吸水性较小,其24h吸水率为0.600 5%,榛子壳纤维/PVC复合材料热稳定性较好。三种壳类植物纤维/PVC复合材料力学性能和吸水性均符合国家标准GB/T 24137—2009和GB/T 24508—2009要求。     

植物纤维/聚合物复合材料流变参数的转矩流变表征方法

植物纤维与聚合物形成的复合体系易堵塞毛细管流变仪,不适宜用毛细管流变仪测量流变性能。文中提出了一种利用转矩流变仪测量植物纤维/聚合物复合材料流变性能的表征方法,由转矩流变仪测得的平衡扭矩和平衡温度数据拟合得到低密度聚乙烯(LDPE)/棉秆皮纤维复合材料的幂率模型参数,并研究了复合体系中棉秆皮纤维含量对复合材料流变性能的影响。结果表明,加入棉秆皮纤维后复合材料剪切变稀现象随纤维含量的增加而更为明显。     

玄武岩纤维生态环境复合滤材过滤性能的研究

讨论了玄武岩纤维复合过滤性能和微孔尺寸,打浆度、玄武岩纤维含量等因素的相互关系.结果表明,滤材的平均孔径与其含量能呈很好的相关性.通过扫描电镜观察,提出了复合滤材的结构模型.不同打浆度和玄武岩纤维含量下,孔径与过滤速度的关系研究表明,最小、最大和平均孔径与过滤速度的变化趋势是一致的.复合滤材的过滤速率随孔径的降低而变小,孔径降低到一定的程度后,过滤速率降低缓慢.同时分析了颗粒在介质上的滞留方式导致过滤性能下降的原因.复合过滤材料的热性能研究表明,过滤性能的破坏主要是由木纤维的热老化造成的.     

电子束固化复合材料界面

电子束固化复合材料界面粘结性能较低是急待解决的问题。利用阳极氧化技术和偶联剂涂层对碳纤维表面进行处理。处理前后的碳纤维表面性能利用SEM、XPS和接触角测试方法进行分析,通过层间剪切强度表征电子束固化复合材料界面粘结性能,并且与热固化复合材料进行对比。结果表明: 当碳纤维在酸性电解液中进行阳极氧化时,有利于提高电子束固化复合材料界面粘合性能,在碱性电解液中进行阳极氧化时, 则导致较低界面粘接性能。阳极氧化与偶联剂双重增效作用能够提高电子束固化复合材料界面粘合性能。     

纤维类型对纤维增强SiC基复合材料性能的影响

对比了采用先驱体浸渍法制备的三种不同纤维增强SiC基复合材料的性能差异,并从材料的微观结构特征入手分析了差异产生的原因。通过研究发现,采用Hi-Nicalon纤维增强的SiC基复合材料具有较好的性能,单向复合材料弯曲强度达到703.6 MPa, 断裂韧性达到23.1 MPa·m1/2;采用国产吉林碳纤维(JC)制备的SiC基复合材料也具有较好的性能,弯曲强度为501.1 MPa,断裂韧性为13.8 MPa·m1/2。      

玻璃纤维增强聚丙烯复合材料界面结合的研究 1. 界面剪切强度

利用单丝临界断裂长度法研究了玻璃纤维(GF) 与聚丙烯(PP) 的界面结合, 发现在纤维 与基体均未作任何处理以前, PP 与GF 的界面剪切强度( ISS) 只有2. 75M Pa。在GF 经偶联剂处 理情况下, 若在PP 中加入0. 3% 不饱和芳香酰亚胺, ISS 增至4. 42M Pa 提高60%。酸酐改性PP 的使用, 可使ISS 达9. 20M Pa, 提高233. 9%。这一方法不仅可以准确判断PP 与GF 界面结合的 优劣, 而且可以为最终的复合材料设计提供可靠依据。      

纤维/聚合物基体界面性能的原位表征

建立了复合材料界面强度原位测试系统,研制出界面剪切强度有限元分析软件并探讨了影响界面剪应力分析的因素,提出了改进的微观力学模型;利用该系统,研究了表面经不同改性处理的CF增强PMR-15聚酰亚胺复合材料界面的微观力学性能,结果表明:有效的表面处理可使CF/PMR-15界面剪切强度明显提高,并与其宏观性能具有较好的对应趋势。本文还初步探讨了界面破坏的过程。     

纤维／聚合物基体界面性能的原位表征

建立了复合材料界面强度原位测试系统，研制出界面剪切强度有限元分析软件并探讨了影响界面剪应力分析的因素，提出了改进的微观力学模型；利用该系统，研究了表面经不同改性处理的ＣＦ增强ＰＭＲ—１５聚酰亚胺复合材料界面的微观力学性能，结果表明：有效的表面处理可使ＣＦ／ＰＭＲ—１５界面剪切强度明显提高，并与其宏观性能具有较好的对应趋势。本文还初步探讨了界面破坏的过程。     

热塑性聚合物/木纤维复合材料的研究进展

介绍了国内外关于热塑性聚合物／木纤维复合材料界面改性、在加工过程中木纤维的热稳定性以及阻燃性能等方面的研究进展，界面相容剂或偶联剂能大大提高其界面相容性，特别是马来酸酐接枝热塑性聚合物作为界面相容剂更为有效。硅烷偶联剂预处理木纤维表面对提高其热稳定性有一定的作用。     

Single Carbon Fibers with a Macroscopic‐Thickness, 3D Highly Porous Carbon Nanotube Coating

Carbon fiber (CF) grafted with a layer of carbon nanotubes (CNTs) plays an important role in composite materials and other fields; to date, the applications of CNTs@CF multiscale fibers are severely hindered by the limited amount of CNTs grafted on individual CFs and the weak interfacial binding force. Here, monolithic CNTs@CF fibers consisting of a 3D highly porous CNT sponge layer with macroscopic‐thickness (up to several millimeters), which is directly grown on a single CF, are fabricated. Mechanical tests reveal high sponge–CF interfacial strength owing to the presence of a thin transitional layer, which completely inhibits the CF slippage from the matrix upon fracture in CNTs@CF fiber–epoxy composites. The porous conductive CNTs@CF hybrid fibers also act as a template for introducing active materials (pseudopolymers and oxides), and a solid‐state fiber‐shaped supercapacitor and a fiber‐type lithium‐ion battery with high performances are demonstrated. These CNTs@CF fibers with macroscopic CNT layer thickness have many potential applications in areas such as hierarchically reinforced composites and flexible energy‐storage textiles.