高强度和高模量碳纤维复合材料失效模式比较

介绍了高模量碳/环氧树脂、碳/双马树脂和高强度碳/环氧3种复合材料抗拉伸、压缩、弯曲、层间剪切等力学性能的测试情况,用微观和宏观照片对比了不同强度、模量和不同树脂的失效模式差异,包括失效部位、失效的层次和类型。指出现行复合材料测试标准在测试高强度和高模量碳纤维复合材料性能时存在的问题。同时用测试数据对比了高模量碳纤维分别与双马来西亚胺5405和环氧树脂5224匹配后的性能,以及高强度碳纤维与环氧BA9913匹配后的性能。     

基于NOL环的高性能纤维与环氧树脂的匹配性研究

纤维与树脂的界面对复合材料的整体力学性能有着显著的影响。基于NOL环的宏观力学测试一般被用来反映复合材料的界面粘结性能,因此适用于评价纤维与树脂之间的宏观力学性能匹配性。为了探究高性能碳纤维T700SC、T800HB及高强玻璃纤维与环氧树脂的宏观力学性能匹配性,本研究首先根据GB/T 1458—2008国家标准制备NOL环试样,再借助NOL环的拉伸和层间剪切强度测试分析了高性能纤维与环氧树脂不同匹配组合宏观力学性能差异的原因,并寻找出最佳匹配组合。结果表明:玻璃纤维与环氧树脂的界面存在最佳的粘结强度,而且不同粘结强度导致拉伸强度和破坏机理不同,而碳纤维复合材料界面性能较差,容易分层破坏;T800HB与环氧树脂的宏观力学匹配性优于T700SC,环氧树脂力学性能、碳纤维的表面微观结构与性质以及环氧树脂与碳纤维之间的相互作用关系是影响界面粘结性能的根本原因。该研究在高性能纤维单向复合材料的材料选择与设计方面具有现实意义。     

热解沉积结合PAMAM接枝改性碳纤维表面

采用热解沉积结合聚酰胺-胺型树枝状高分子(PAMAM)接枝的改性方式对碳纤维进行表面处理,对比了碳纤维原丝(CFs)、只经热解沉积处理碳纤维(PD-CFs)和沉积结合接枝处理碳纤维(PD-PG-CFs)的表面形貌、表面元素组成和质量分数、与极性液体和非极性液体的接触角、表面自由能的变化;制备了不同处理条件下碳纤维/环氧微复合材料,与未处理的碳纤维原丝相比,经热解沉积处理的碳纤维/环氧复合材料的界面剪切强度(IFSS)提高了26.87%,而经沉积结合PAMAM接枝处理碳纤维/环氧复合材料的IFSS则提高了38.81%。通过纳米压痕测试定量的表征了复合材料中碳纤维、热解碳层和树脂基体3者的模量,结果表明,热解碳层的模量介于碳纤维和树脂之间,它所起到的过渡层效应是复合材料界面性能得到改善的重要原因。     

碳纤维湿法缠绕用高模量高韧性环氧树脂基体

设计了一系列针对碳纤维湿法缠绕的环氧树脂基体,测试了树脂浇注体及其复合材料的力学性能和热机械性能,研究了树脂基体对碳纤维复合材料界面性能的影响.试验结果表明,对韧性树脂体系,树脂基体的模量是发挥纤维强度的关键因素,模量的提升将大幅提高复合材料的综合性能.经复配和优化的树脂体系兼具高模量和高韧性,其T700碳纤维复合材料NOL环拉伸强度达到2480MPa,T800碳纤维复合材料NOL环拉伸强度达到2780MPa,玻璃化温度(Tg)超过200℃,具有优异的界面性能和耐热性能.     

YSZ涂覆碳纤维/环氧复合材料性能的研究

采用溶胶-凝胶法在碳纤维的表面涂覆了一层钇稳定氧化锆(YSZ)涂层，并研究了用其制备的碳纤维／环氧复合材料的性能。结果表明：涂层中粒子的粒经约为10nm，YSZ涂覆后复合材料的层间剪切强度(ILSS)、拉伸强度和弯曲强度分别提高了52．0％、6．5％和6．3％；YSZ涂覆后的碳纤维与环氧树脂基体的结合更加紧密，且在碳纤维表面形成的YSZ涂层在450～700℃能有效地减缓碳纤维／环氧复合材料的氧化失重速率。     

深潜壳体用高模量树脂基体的研究——基体模量对复合材料抗压抗剪性能的影响

制备了高模量树脂基单向复合材料，测试了单向复合材料的纵向压缩性能和平面剪切性能。研究了基体模量对单向复合材料抗压强度及复合材料平面剪切性能的影响，结果表明：单向复合材料的抗压强度与基体模量成线性比例关系，随基体模量的提高而提高，复合材料的平面剪切性能与基体模量基本上呈线性关系，平面剪切强度亦随基体模量的提高而提高。以模量达５．３６ＧＰａ的环氧树脂作为复合材料的树脂基体制备的，单向玻璃纤维增强复合材料其抗压强度高达１．２９５ＧＰａ，碳纤维增强的复合材料抗压强度高达１．３７２ＧＰａ，与普通环氧树脂的单向复合材料相比，分别提高了５５％和４５．８％；复合材料的平面剪切强度达６４．５ＭＰａ，比普通环氧树脂复合材料的平面剪切强度提高了４４．３％，满足了深潜壳体对复合材料抗压强度的要求。     

碳纤维/聚苯并(噁)嗪复合材料的界面与力学性能的关系研究

本文采用含不同上胶剂的碳纤维与苯并(噁)嗪树脂复合,制备碳纤维/聚苯并(噁)嗪单向复合材料,研究了碳纤维表面上胶剂对于复合材料的层间剪切强度(ILSS)、弯曲性能、断口形貌及动态机械性能的影响.结果表明,含有环氧树脂上胶剂的碳纤维/苯并(噁)嗪树脂基复合材料(EPCF/PBZ)的ILSS和弯曲性能优于含非环氧类树脂上胶剂的碳纤维/苯并(噁)嗪树脂基复合材料(VECF/PBZ)和不含上胶剂的碳纤维/苯并(噁)嗪树脂基复合材料(USCF/PBZ).环氧树脂上胶剂改善了纤维与苯并(噁)嗪树脂的粘结性能,使复合材料的内耗峰峰高降低,能量损耗减小.电镜照片同样验证了这一结果.     

M40J/EC复合材料的温湿效应

用湿法缠绕技术制作了高模量，高强度石墨纤维增强高韧性低吸湿环氧树脂（M40J／EC）预浸料，对热压罐固化的M40J／EC复合材料的室温，高温干态和湿态力学性能进行了研究。与高模量石墨纤维／酚醛环氧树脂（40／4211）得合材料相比，M40J／EC复合材料的各项力学性能均有很大程度的提高，且有优异的耐湿热性能，在130℃干，湿态下，其弯曲强度，弯曲弹性模量和层间剪切强度的保持率较高。     

环氧树脂／间苯二胺体系性能研究

以环氧树脂（TDE－85）作为基体,以间苯二胺为固化剂,制备出高模量树脂基体。结果表明,环氧基／氨基摩尔比为1／0．875时,浇铸体拉伸模量为5．3GPa,所制备的复合材料综合性能优异。     

碳纤维/TDE85环氧树脂复合材料界面性能的研究

高性能碳纤维增强树脂基复合材料因其轻质、高强、高模量等优势,已在航空航天等领域广泛应用,增强体与树脂基体之间的界面结合状况对其性能有很大影响,因此对界面进行研究具有非常重要的意义。本文分别研究了T800、CCF300、T300三种碳纤维增强TDE85环氧树脂复合材料的界面性能。运用XPS对碳纤维和单纤维复合材料试样的表面化学成分进行了表征,XPS结果表明,与树脂复合后,碳纤维表面官能团的含量、结构及化学环境都发生了明显的变化,界面产生了较强的物理和化学作用。利用DCT21测量仪测试碳纤维与环氧树脂TDE85的接触角,分析了纤维与树脂的润湿性,实验结果显示纤维与树脂的润湿性良好。在此基础上,通过微滴脱粘方法测量纤维与树脂的界面剪切强度,以表征其界面粘结性能。微滴脱粘的实验结果显示,T800/TDE85体系的IFSS值高达79.7MPa,比T300/TDE85、CCF30/TDE850体系分别高21%、24%。     

环氧树脂固化剂对高强玻璃纤维复合防弹板的力学性能影响分析

为高强玻璃纤维复合防弹板的环氧树脂固化剂进行研究。重点研究了三种不同固化剂的种类、用量及环氧树脂分子量对纤维复合板力学性能的影响。研究表明不同牌号、不同分子量的环氧树脂，对纤维复合板力学性能有一定影响。综合考虑选用间苯二胺作为高强玻璃纤维复合防弹板的固化剂。     

碳纤维湿法缠绕用环氧树脂基体研究

以TDE-85树脂和AFG-90树脂为主体树脂,混合芳香胺为固化剂,研究了一种适合于碳纤维复合材料湿法缠绕成型的树脂配方。结果表明,该树脂的黏度低(＜550 mPa·s)、适用期长,其浇铸体具有优异的力学性能,其拉伸强度为107 MPa,拉伸模量为4．09 GPa,弯曲强度为161 MPa,弯曲模量为3．88 GPa,断裂伸长率超过6%。用其制备的T-700碳纤维缠绕复合材料界面粘接好,NOL环层间剪切强度达到66．8 MPa,拉伸强度达到2．44 GPa。     

环氧树脂/短切碳纤维复合材料性能研究

制备出了短切碳纤维增强TDE-85环氧树脂复合材料,研究了碳纤维的含量对复合材料力学性能和耐热性能的影响。结果表明,碳纤维的加入有利于复合材料力学性能和耐热性能的提高,并在碳纤维含量为0.25%时,复合材料的拉伸强度、冲击韧性、弯曲强度和弯曲模量达到最大,分别提高了29.33%、25.31%、30.28%和68.93%。此外,对复合材料的弯曲断裂面进行了微观形貌分析,结果表明一定量的碳纤维可以较好地分散在树脂基体中,同时,碳纤维原丝和树脂基体的界面结合比较弱,主要依赖于两相之间的物理嵌合。     

有机蒙脱土改性环氧树脂胶粘剂的制备工艺优化设计

采用不同碳链的季铵盐阳离子作为插层剂与蒙脱土层间的无机阳离子(Ca2+)交换,制备出系列有机蒙脱土,用有机蒙脱土对环氧树脂进行改性,制备了纳米有机蒙脱土/环氧树脂结构胶,同时,用4因素3水平正交试验设计对关键配料参数进行了优化,并对结构胶的剪切强度和冲击强度进行了测试。研究表明,优化配制的纳米改性环氧树脂胶粘剂是一种高性能的结构胶粘剂,其钢-钢剪切强度可达29.2 MPa,冲击强度可达33.8 MPa,有效地改善了环氧树脂胶粘剂的粘接性能。     

乙二胺修饰的碳纳米管对环氧树脂力学性能的影响

利用乙二胺对多壁碳纳米管(MWNTs)进行化学修饰,并制备碳纳米管/环氧树脂复合材料,研究了乙二胺修饰的碳纳米管对碳纳米管/环氧树脂复合材料力学性能的影响。实验表明,碳纳米管经乙二胺修饰后,改善了它在环氧树脂中的分散性,提高了环氧树脂复合材料的力学性能。氨基化碳纳米管用量达1.0%时,复合材料的冲击强度、断裂伸长率、拉伸强度和弯曲强度分别较纯环氧树脂提高200%、275%、48%和30%。     

碳纤维复合材料发动机壳体用高性能树脂基体的研制

在综合考虑树脂黏度、力学性能、耐热性能的基础上。开发了适用于碳纤维复合材料火箭发动机壳体温法缠绕成型工艺用耐高温和韧性环氧树脂基体。用差示扫描式量热法(DSC)、傅里叶红外光谱FT—IR等分析技术对该韧性树脂基体的固化反应动力学参数、树脂基体固化物的性能和复合材料的性能进行了系统的研究。结果表明，该韧性树脂基体黏度低，适用期长，韧性好，与碳纤维界面粘接强度高，所制得的复合材料火箭发动机壳体纤维强度转化率高。为今后相关方面的研究指明了方向。     

Mechanical characterization of carbon fiber reinforced phenolic resol and epoxy condensate plastic

A matrix resin for carbon fiber reinforced composite was developed that consisted of resol type phenolic and difunctional epoxy resin (PR-EP) condensate or adduct. Carbon fiber reinforced composite with fiber volume fraction of 0.6 was prepared with PR-EP matrix containing 0, 50, 100, 150, and 175 parts of epoxy resin per hundred parts of phenolic resin (php), especially a synthesized resol type. One-shot and prepreg techniques have been adopted and the study of loss of volatiles has indicated the superiority in terms of favorable processability of prepreg technique over the other. FTIR spectroscopic analysis confirmed the PR-EP adduct formation at the prepreg preparation stage. The improvement in properties such as tensile strength and elongation at break was observed in resin matrices with epoxy and phenolic resin; however, the flexural strength and modulus remained more or less unaltered. The prepreg technique of composite preparation has resulted in substantial improvement in mechanical properties and the same was attributed to the formation of PR-EP adduct and low volatiles during cure. Composites of carbon fiber reinforced PR-EP matrix developed here are likely to meet the requirement of aerospace structures in view of the realization of a wide spectrum of properties.     

Mechanical properties of graphene nanoplatelet/carbon fiber/epoxy hybrid composites: Multiscale modeling and experiments

Because of the relatively high specific mechanical properties of carbon fiber/epoxy composite materials, they are often used as structural components in aerospace applications. Graphene nanoplatelets (GNPs) can be added to the epoxy matrix to improve the overall mechanical properties of the composite. The resulting GNP/carbon fiber/epoxy hybrid composites have been studied using multiscale modeling to determine the influence of GNP volume fraction, epoxy crosslink density, and GNP dispersion on the mechanical performance. The hierarchical multiscale modeling approach developed herein includes Molecular Dynamics (MD) and micromechanical modeling, and it is validated with experimental testing of the same hybrid composite material system. The results indicate that the multiscale modeling approach is accurate and provides physical insight into the composite mechanical behavior. Also, the results quantify the substantial impact of GNP volume fraction and dispersion on the transverse mechanical properties of the hybrid composite while the effect on the axial properties is shown to be insignificant.