增强毡C/C复合材料的结构和性能

设计了两种不同结构的预制体,即碳布 碳毡(1#预制体)、无纬布 碳毡(2#预制体),经化学气相沉积(CVD)与浸渍树脂相结合的致密化工艺制备出了高密度的增强毡C/C复合材料.结果表明:1#、2#预制体制备的C/C材料表现出了良好的力学性能,其拉伸强度分别达61.25MPa和53.12MPa,其中2#材料的拉伸破坏表现出了假塑性.结合材料的微观形貌研究了预制体结构、界面对C/C复合材料拉伸性能的影响.     

聚芳醚砜醚酮酮及其炭纤维复合材料的力学性能

合成了聚醚砜醚酮酮(PESEKK),研究了纯树脂的热、力学性能。制备了炭纤维和聚醚砜醚酮酮(炭纤维是标准T300)复合材料,着重研究了此新型复合材料的力学性能。结果表明,随着复合材料中PESEKK树脂质量比增加,T300CF/PESEKK复合材料的拉伸强度、弯曲强度、拉伸模量和弯曲模量逐渐增加。其中弯曲强度和弯曲模量增加的幅度比拉伸强度和拉伸模量增加的幅度更大。当PESEKK质量分数为60%左右时,复合材料的综合力学性能达到最佳值。因此聚醚砜醚酮酮可作为增强炭纤维力学性能的基体树脂。     

低密度纤维增强纳米孔树脂基复合材料的断裂机制

纤维增强纳米孔树脂基复合材料(IPC)是一类轻质高效防隔热一体化耐烧蚀材料,具有典型的非均质结构特征。在外加载荷下,内部的纳米孔隙将会衍生出微裂纹。裂纹的萌生、聚合和扩展对复合材料的强度、刚度、变形性等力学性能有着重要的影响。本文分别以石英纤维针刺网胎(NQF)、石英纤维针刺网胎/纤维布(NQCF)为增强体,制备得到不同纤维结构增强的纳米孔酚醛树脂(NPR)基复合材料(NQF/NPR、NQCF/NPR),对比研究了材料拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率及拉伸疲劳性能,并采用CT原位拉伸装置表征了拉伸过程中复合材料的微观结构演变。结果表明：纤维布的引入极大提高了复合材料的力学性能,并且微裂纹首先在针刺区域边缘的树脂基体中出现。在裂纹扩展过程中,纤维结构对树脂基体的损伤起到了不同程度的阻碍作用。最后结合有限元法建立了NPR及纤维布的有限元模型,分析了不同尺度下材料的断裂机制。     

UV光固化玻璃纤维布/EP-PBMA树脂复合材料的力学性能

设计了光热共引发环氧树脂-聚甲基丙烯酸丁酯(EP-PBMA)树脂,并制备了UV光固化玻璃纤维布增强EP-PBMA树脂基复合材料,研究了不同EP与PBMA质量比的玻璃纤维布/EP-PBMA复合材料在不同加载速率下的拉伸力学性能。结果表明: 玻璃纤维布/EP-PBMA复合材料具有明显的应变率效应;随着加载速率增大,复合材料的拉伸强度和弹性模量呈增大趋势;EP-PBMA树脂基体的组成对应变率效应有明显的影响;玻璃纤维布/EP-PBMA复合材料与纯EP基复合材料相比,在较低的加载速率下具有更高的拉伸强度,但当加载速率达到50 mm/min时拉伸强度较低。     

苯酚电聚合膜修饰炭纤维表面对环氧基复合材料性能的影响

将连续炭纤维束用自制的空气梳分散成单丝状长带后, 通过采用循环伏安法的电化学方法将单体苯酚在炭纤维表面聚合成膜, 对炭纤维进行表面修饰, 以提高复合材料中炭纤维与树脂基体的界面粘结性能。红外光谱分析表明, 苯酚电聚合膜能够增加炭纤维表面的羟基、 醚键等活性官能团, 从而提高炭纤维与环氧树脂基体的界面粘结强度。与未进行表面修饰的炭纤维增强环氧树脂复合材料相比, 以聚苯酚膜修饰的炭纤维单丝带增强的环氧树脂基复合材料横向拉伸强度最大提高了90%, 纵向拉伸强度最大提高了45%, 层间剪切强度最大提高了110%。实验也表明, 将炭纤维束分散成炭纤维单丝带后能够更有效地增强复合材料的各项力学性能。      

一种新型C／C复合材料——石墨粉增强热解炭

通过热梯度化学气相渗透工艺制备了石墨粉增强热解炭基复合材料(G/C Composites),采用偏光显微镜、SEM观察了其微观组织结构,运用电学和机械实验对其性能进行了研究。结果表明,热解炭能从不同的方位与石墨颗粒包裹性地结合,充分地填充石墨颗粒间的孔隙。G/C复合材料呈现各向同性,密度高(1.85g/cm3),体积电阻率高(148.4μΩ.m),具有优异的力学性能(抗弯强度为50MPa,耐压强度为120MPa)。G/C复合材料的力学性能比纯石墨高一倍,抗压强度与炭毡增强C/C复合材料相当,弯曲强度比炭毡增强C/C复合材料略低。     

T700级炭纤维复合材料性能对比

测试了不同规格T700级炭纤维的表面形貌和起毛量,设计和模拟预浸料制备过程中的炭纤维损伤实验,考察了预浸料制备过程中各关键环节的炭纤维力学性能,并测试了复合材料基本力学性能和观察了复合材料90°拉伸破坏试样断面形貌,最后结合上述实验结果对T700级炭纤维复合材料基本力学性能进行了对比与分析。结果表明,A-3K和A-12K炭纤维表面粗糙度大,炭纤维与树脂基体机械锚定力大,可在一定程度上提高复合材料界面黏结性能;T700SC-12K炭纤维表面光滑,准直度较高,耐磨性最好,预浸料制备过程中炭纤维损伤最小,炭纤维性能转化率最高,T700SC-12K/QY9611复合材料0°拉伸强度最高;A-12K/QY9611复合材料界面性能与A-3K/QY9611复合材料相当,但拉伸性能略低。     

不同预制体结构C/C复合材料轴向热力学性能分析

主要对比了编织C/C复合材料和针刺C/C复合材料的轴向热力学性能.编织C/C复合材料主要有径棒法、轴棒法、轴向穿刺三种,针刺C/C复合材料主要有炭布叠层针刺、整体毡两种.编织预制体密度较高,平均可达到0.70g/cm3以上,针刺类整体毡密度在0.20g/cm3左右,炭布叠层预制体密度在0.45g/cm3左右,均低于编织预制体.径棒法、轴棒法、轴向穿刺预制体轴向纤维含量≥19%,针刺类预制体轴向纤维含量约为5%.C/C复合材料的轴向拉伸强度、热膨胀系数与预制体编织结构、轴向纤维含量有关,编织类C/C复合材料轴向拉伸强度平均值≥40MPa,针刺类C/C复合材料轴向拉伸强度在10MPa左右.轴棒法、轴向穿刺、炭布叠层针刺、整体毡等四种C/C复合材料(RT～800℃)轴向热膨胀系数基本相当.     

碳纤维/环氧预浸布耐折叠性能研究

针对碳纤维/环氧预浸布复合材料的耐折叠性能特点,进行了不同折叠半径和不同折叠时间力学性能的对比实验.选定折叠时间为4h,折叠半径取0-4mm.再以折叠半径0.5mm为条件,取折叠时间为1-4h.对不同折叠条件下的试件进行拉伸性能试验、从而得出不同折叠半径,不同折叠时间对复合材料预浸布性能的影响.实验结果表明:折叠造成了复合材料增强纤维的损伤和树脂的堆积,引起了拉伸性能的下降,折叠半径越小、折叠时间越长,碳纤维/环氧预浸布薄膜复合材料强度下降越严重.     

无纬布/网胎叠层针刺C/C材料的制备及性能

以无纬布/炭纤维网胎叠层针刺预制体为增强体,经化学气相渗透(CVI)联合沥青浸渍/高压炭化(HPIC)方法制备了针刺C/C材料,研究了该材料的热力学性能,并与整体毡C/C材料进行了对比。结果表明:针刺C/C材料室温及2 800℃下轴向拉伸强度分别为24.50 MPa和52.88 MPa,较整体毡C/C材料分别提高了138%和170%,且拉伸破坏模式为假塑性。针刺C/C材料热物理性能优于整体毡C/C材料,1 000℃轴向热膨胀系数仅为1.409×10-6/℃,相比降低了64%。针刺C/C材料优异的机械强度和良好的热物理性能为其在固体火箭发动机中的应用奠定了基础。     

不同预制体结构炭/炭复合材料烧蚀性能

采用电弧驻点烧蚀实验方法, 测试了分别以细编穿刺毡和针刺无纬布整体毡为增强体的2种C/C复合材料的烧蚀率, 并用电子扫描显微镜观察了烧蚀表面形貌。结果表明: C/C复合材料的烧蚀由化学烧蚀和机械剥蚀共同控制, 以机械剥蚀为主; 细编穿刺毡结构C/C复合材料由于Z向纤维束的存在, 加速了材料烧蚀表面粗糙度的变化, 烧蚀率略高于针刺无纬布整体毡结构C/C复合材料; 针刺无纬布整体毡结构C/C复合材料中无纬布层与烧蚀气流垂直, 具有良好的烧蚀性能。      

针刺C/C复合材料面内拉伸强度预测

为研究针刺碳纤维增强碳基体复合材料(针刺C/C复合材料)面内拉伸强度与渐进损伤,建立了针刺C/C复合材料代表性体积单元有限元模型。模型包含无纬布层、网胎层、针刺纤维束、界面4类子区域,并考虑了孔隙的影响。采用基于应变的破坏准则及指数型损伤演化规律研究无纬布层及针刺纤维束损伤,采用弹塑性本构研究网胎层损伤,采用内聚力牵引分离定律和二次应力破坏准则分析界面损伤。通过两步法计算了孔隙对材料性能的折减效果,并得到上述4个子区域的力学性能,通过ABAQUS UMAT预测了材料的面内拉伸应力-应变曲线及各子区域损伤起始、演化与失效过程,非线性趋势及拉伸强度数值与试验数值吻合较好,验证了该模型有效性。      

晶硅炉热场用碳材料在硅蒸汽中的腐蚀行为研究

对晶硅炉热场用三种碳材料(石墨、C/C复合材料、硬质碳毡)在不同腐蚀条件下进行了硅蒸汽腐蚀实验, 研究了不同碳材料的硅化腐蚀行为。结果表明: 三种材料的结构组成不同, 导致三种碳材料在高温环境下与硅蒸汽发生硅化腐蚀的程度不同, 硅蒸汽主要通过材料的孔洞以及缺陷扩散进入材料内部进行腐蚀, 腐蚀造成材料表面产生大量的裂纹, 并且会造成C/C复合材料以及硬质碳毡材料内部严重的破坏。材料中碳纤维的存在方式以及纤维强度对硅化腐蚀程度有较大影响, C/C复合材料中的腐蚀主要是碳基体和碳纤维的剥离以及碳纤维的缩颈、劈裂等; 而由强度较差的短碳纤维为主要组成的硬质碳毡材料的腐蚀最严重, 其内部碳纤维出现了明显的碎断、粉化。腐蚀参数对材料硅化腐蚀的程度具有较大影响, 随着腐蚀温度的升高以及腐蚀时间的延长, 三种碳材料的硅化腐蚀程度均增加。     

不同先驱体制备C/SiC复合材料及其浸渍行为

采用先驱体浸渍裂解工艺(PIP工艺)制备C/SiC复合材料,研究了不同先驱体对复合材料浸渍行为的影响(三种先驱体分别为固态聚碳硅烷(PCS(s))、液态聚碳硅烷Ⅰ(PCS-Ⅰ(l))和液态聚碳硅烷Ⅱ(PCS-Ⅱ(l)),制备的三种复合材料体系分别为C/SiC-0、C/SiC-Ⅰ和C/SiC-Ⅱ)。结合C/SiC复合材料的力学性能以及不同裂解周期C/SiC复合材料的微观形貌,研究了不同先驱体制备的C/SiC复合材料对碳纤维织物浸渍行为的影响。研究结果表明:C/SiC-Ⅰ复合材料的室温弯曲强度最高,达到336 MPa。不同裂解周期的微观形貌显示, C/SiC-0复合材料内部孔隙分布于碳纤维束间; C/SiC-Ⅰ复合材料内部较致密,孔隙分布均匀; C/SiC-Ⅱ复合材料基体和束丝内部都存在孔隙,说明三种聚碳硅烷浸渍液对C/SiC复合材料有不同的浸渍效果。凝胶渗透色谱(GPC)的分析结果显示,由于浸渍液的分子量不同,大分子无法浸渍到碳纤维束丝内部,会造成裂解后的复合材料束内SiC基体较少,造成其力学性能较低。     

织物结构对复合材料力学性能影响的试验研究

为探讨不同结构形式织物对复合材料力学性能的影响及其损伤破坏机制之间的差异,通过宏观拉压试验,研究了经编及平纹碳纤维织物增强树脂基复合材料的拉伸及压缩力学性能,并利用声发射对试验过程进行实时监测,对破坏后的断口进行显微镜观察分析,分别给出了两种材料的拉伸和压缩破坏机制.研究结果表明:织物结构形式对复合材料的力学性能有较大影响,与经编织物复合材料相比,平纹织物复合材料的拉伸、压缩强度均较低,且其拉伸、压缩破坏试样的断口相对齐平,分层现象不明显;根据声发射监测结果可以判定两种复合材料损伤过程中的损伤类型,与经编织物相比,平纹织物复合材料拉/压过程中的声发射电压信号相对稳定且整体强度较低.     

A facile method for preparing CNT-grafted carbon fibers and improved tensile strength of their composites

Carbon nanotube (CNT)-grafted carbon fibers (CFs) have emerged as new reinforcements for improving the mechanical properties of CF-reinforced composites but such enhancement in macroscale composites has not been realized. This paper reports a facile method for preparing CNT-grafted CFs and improving the tensile strength of their composites. A CNT/polyacrylonitrile solution was sprayed onto the surface of the CF woven fabrics, and the CNTs were grafted by a thermal treatment at 300 °C. CNT-grafted CF composites were fabricated using the CNT-grafted CF woven fabrics using a vacuum-assisted resin transfer molding process with epoxy resin. The CNT-grafted CF composite exhibited 22% enhancement in the tensile strength compared to that of the pristine CF composite. Fracture surfaces of the CNT-grafted CF composites showed that the grafted CNTs obstructed the propagation of micro-cracks and micro-delamination around the CFs and also yarn boundaries, resulting in improved tensile strength of CNT-grafted CF composites.     

Comparison of chemical vapor deposition and chemical grafting for improving the mechanical properties of carbon fiber/epoxy composites with multi-wall carbon nanotubes

By engineering the fiber/matrix interface, the properties of the composite can be changed significantly. In this work, we increased the effective surface area of the fiber/matrix interface, to facilitate additional stress transfer between fibers and matrix, by grafting carbon nanotubes on to carbon fibers (in the form of carbon fabric) by two different methods: (1) chemical vapor deposition (CVD) method and (2) a purely chemical method. With the CVD process, carbon nanotubes (CNT) were directly grown on carbon fiber substrate using chemical vapors. For the chemical method, CNT with carboxyl groups were grafted on functionalized carbon fiber via a chemical reaction. The morphology of CNT/carbon fibers was examined by scanning electron microscope (SEM) which revealed uniform coverage of carbon fibers with CNT in both of CVD method and chemical grafting method. CNT-grafted woven carbon fibers were used to make carbon/epoxy composites, and their mechanical properties were measured using three-point bending and tension tests which showed that those with CNT-grafted carbon fiber reinforcements using the CVD process has 11 % higher tensile strength compared to those containing carbon fibers modified with the chemical method. Also, composites with CNT-grafted carbon fibers with chemical method showed 20 % higher tensile strength compared to composites with unmodified carbon fibers. The results of tensile test revealed that both CVD and chemical grafting could significantly improve the mechanical properties of the carbon fiber composites.     

Z-pin增强CMC层间Ⅰ+Ⅱ混合型断裂韧性

提出手工预缝纫方法将3K丝束的T300碳纤维引入预成型体,采用CVI工艺在预成型体和缝线处同时渗透SiC基体,制备了Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料。通过三点弯曲试验测定了Ⅰ+Ⅱ混合型应变能释放率,分析了材料的裂纹扩展行为和Z-pin增强机理。结果表明:随着裂纹扩展长度的增大,Ⅰ+Ⅱ型裂纹扩展阻力不断增大,相同裂纹扩展长度,增加Z-pin植入密度可以提高粘结强度,增大止裂作用。Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料裂纹扩展的耗能途径主要是层间界面剥离、Z-pin弹性剪切和拉伸变形。     

FLiNaK熔盐浸渗对2D C/C复合材料力学性能的影响

在650℃不同压力下将熔融的LiF-NaF-KF盐(46.5%-11.5%-42.0%，摩尔分数，FLiNaK)浸渗入2D C/C复合材料中，测试2D C/C复合材料的增重率、密度和力学性能的变化并用X射线断层扫描(X-ray CT)和扫描电子显微镜(SEM)观察FLiNaK熔盐的分布，研究了FLiNaK熔盐浸渗对2D C/C复合材料力学性能的影响。结果表明，FLiNaK熔盐分布在2D C/C复合材料开放的孔隙中、纤维束中和相邻层的裂缝中；随着浸渗压力的提高2D C/C复合材料的增重率增大、压缩强度和弯曲强度提高。FLiNaK熔盐浸渗产生的“二次增密”作用和2D C/C复合材料中残余应力的耦合效应，使其力学性能提高。     

碳纤维增强明胶(C/Gel)生物复合材料的溶胀动力学研究

分别采用溶液交联和蒸汽交联法制备了C_L/Gel复合材料,溶液交联C_L/Gel复合材料的溶胀行为可用二次速率方程描述,但不满足Fick定律;蒸汽交联C_L/Gel复合材料的溶胀既不能用二次速率方程表达,也不满足Fick定律,其溶胀度低于前者。虽然溶液交联C_S/Gel复合材料的溶胀与溶液交联C_L/Gel复合材料遵循同样的规律,但C_S/Gel复合材料的平衡溶胀度W_∞和溶胀速率K_∞均小于相应的C_L/Gel复合材料。结果表明,纤维形式和含量对C/Gel生物复合材料的溶胀性能有较大的影响,笔者对其影响机制进行了初步探讨。