碳玻混杂纤维复合材料力学和树脂浸润研究

通过设计不同混杂比的碳玻混杂纤维复合材料,分析研究了不同混杂比对复合材料拉伸、压缩、剪切和弯曲性能的影响,除强度混杂效应外,总的来说性能随着碳纤维比例的增大而增加。不同混杂比的复合材料老化28 d后,0°方向拉伸强度和90°方向拉伸模量变化较小,0°方向拉伸模量增加50%,90°方向拉伸强度降低26%,剪切强度降低28%。此外,树脂浸润性研究表明,质量分数为30%的碳玻混杂纤维在0°和90°方向上树脂灌注速度比玻璃纤维分别降低13%和22%。     

用Bragg光栅监测树脂流动及复合材料拉伸性能

对Bragg光栅在VARTM成型工艺中树脂流动过程及复合材料拉伸性能测试进行了研究.实验结果表明,在树脂流动过程中,通过波长随时间的变化可确定树脂流动前沿位置.当光纤的埋入方向平行于树脂流动方向时,光纤与复合材料的相容性较好.在拉伸过程中,光栅波长的变化与外加载荷呈良好的线性关系.因此,通过光栅波长的变化可进行树脂流动过程以及复合材料承受栽荷的监测.     

碳纤维/石英纤维混杂树脂基复合材料力学性能研究

研究了石英纤维与T700级碳纤维层间混杂树脂基复合材料的拉伸、压缩和面内剪切性能。研究结果表明,对于单向铺层的材料,相较纯石英纤维树脂基复合材料,混杂工艺能够使石英纤维树脂基复合材料的拉伸模量,从41.5 GPa增大到86.7 GPa,性能提升约109%,拉伸破坏强度保持相对稳定;压缩模量从40.1 GPa增大到77.1 GPa,压缩破坏强度保持相对稳定;对于材料的面内剪切性能没有明显影响。对于试验设计的多向铺层的材料,拉伸模量也提升了约55%,压缩模量提升了约50%,层合板的剪切模量提升60%。研究表明纤维混杂工艺能够明显改善石英纤维复合材料的刚度性能。     

碳玻混编单向复合材料的性能分析

采用碳纤维质量含量分别为7.4%、10.7%、13.8%的三种碳玻层间混编单向织物制备了纤维增强环氧树脂复合材料,分析了该类材料的力学性能与工艺性能。结果表明:碳玻层间混编复合材料的0°拉伸模量和0°压缩模量均随碳纤维含量的提高而升高,掺入碳纤维后碳玻混杂复合材料的0°拉伸强度比纯玻纤复合材料的有所降低,但随碳纤维含量的增加而升高,碳玻层间混编复合材料的0°压缩强度则没有明显的变化规律;掺入碳纤维后,碳玻层间混编复合材料的90°拉伸强度和模量均有所下降;低碳纤维含量的碳玻层间混编单向织物具有良好的Z向渗透性能。该类新材料未来有望在风电叶片结构减重和成本优化上发挥重要作用。     

风电叶片用碳/玻层内混杂VARI成型复合材料结构与性能研究

采用真空辅助树脂灌注成型(VARI)工艺制备碳纤维/玻璃纤维(碳/玻)层内混杂织物的复合材料层合板,系统研究了不同混杂比的层内混杂复合材料的结构与性能。结果表明,随着碳纤维含量的增加,碳/玻层内混杂复合材料的0°拉伸强度逐渐增加而90°拉伸强度稍有下降;0°压缩强度和压缩模量均有上升;弯曲强度稍有降低而弯曲模量逐渐升高;层内剪切强度几乎维持不变;混杂复合材料的储能模量在混杂比达到1∶1时最高,随碳纤维含量继续增加而下降,碳纤维含量的提高也使混杂复合材料的内耗峰明显下降,界面阻尼降低;扫描电子显微镜观察复合材料90°拉伸断裂截面发现,不同混杂比的层内混杂复合材料中环氧树脂对纤维浸润充分,几乎没有观察到纤维拔出与基体的气孔缺陷。     

界面强度对玻璃纤维增强不饱和聚酯复合材料静态和动态力学性能影响

采用3种高强高模玻璃纤维与不饱和树脂,分别制备了3种单向板复合材料和3种织物复合材料,通过纤维束拔出法和韦布分析法表征了3种玻璃纤维与不饱和树脂间的界面结合强度,并研究了界面强度与复合材料静态和动态力学性能。结果表明:3种纤维的本征界面强度分别为27.12,34.91,35.60MPa;界面强度对复合材料静态力学与疲劳性能有着重要的影响,但对模量的影响较小。随着界面强度的增加,90°方向的拉伸强度逐渐增加,但是0°方向上的拉伸强度反而下降。当疲劳应变较低时,界面强度的增加有助于疲劳性能的提高;但当疲劳应变提高时,界面强度对疲劳性能的影响降低,与材料初始强度反而有着明显的相关性。     

汽车复合材料层合板准静态力学性能的试验测定

以应用于某新能源电动汽车的复合材料层合板为研究对象,利用万能试验机和静态应变测试分析系统等提出了可靠的复合材料层合板准静态拉伸和压缩力学性能试验测定方法,从而为复合材料结构在汽车轻量化中的设计和应用提供了试验依据。该层合板结构采用±45°交叉铺层方法,由2层碳纤维、1层芳纶纤维和2层玻璃纤维层叠构成。试验结果表明,该复合材料层合板在准静态拉伸时呈现沿±45°方向和层间分离挤压的断裂失效模式,这与其内部纤维铺层方向是一致的。同时,由于在复合材料板材中加入了增韧和板材失效时起连接作用的芳纶纤维和玻璃纤维铺层,该复合材料层合板的整体力学性能较常见碳纤维增强复合材料板材,其弹性模量和强度性能均有所降低。     

重力效应对VARTM工艺中树脂充模过程的影响

采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺制备了环氧树脂/亚麻纤维复合材料层合板,记录了树脂在不同树脂流动倾角下的充模时间。通过对层合板进行拉伸、弯曲性能测试,研究了树脂流动倾角对复合材料层合板力学性能的影响。结果表明,在VARTM工艺过程中重力效应对树脂充模时间和层合板力学性能有显著影响;充模时间随着树脂流动倾角的增大(从–90°至90°)而增加;复合材料层合板的拉伸强度、拉伸弹性模量、弯曲强度、弯曲弹性模量等均随树脂流动倾角的增大而增大,树脂流动倾角对弯曲强度的影响最大,且对强度的影响高于模量。由于树脂流动倾角影响了树脂与亚麻纤维的结合情况,导致树脂流动倾角为–90°和90°的复合材料层合板在拉伸与弯曲失效时拥有不同的失效形式。     

国产高强高模PAN基碳纤维预浸料的制备及性能研究

以国产CNI QM55高强高模聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、氰酸酯树脂为原料,利用热熔法制备高强高模PAN基碳纤维预浸料,通过纤维面密度、树脂含量、挥发分含量等来评价预浸料的物理性能,结合单向板的微观形貌与层间剪切强度分析单向板的界面结合性能,并对预浸料铺制单向板的力学性能进行表征。结果表明：CNI QM55碳纤维预浸料的纤维面密度为145 g/m²,树脂质量分数为35.5%,挥发分质量分数为0.164%,预浸料的物理性能满足复合材料的性能要求;以CNI QM55碳纤维预浸料制备的单向板0°拉伸强度为2 429 MPa, 0°拉伸模量为328.4 GPa,弯曲强度为1 171 MPa,弯曲模量为280 GPa,压缩强度为783 MPa,压缩模量为257 GPa,层间剪切强度为65.2 MPa,具有较好的界面黏接性能和力学性能,可满足加工应用要求。     

环氧树脂基碳纤维复合材料的性能研究

选用2种阻燃型环氧树脂体系(SCR1251A/B和HC3314A/B),制备了2种碳纤维复合材料板材(分别记为C-S,C-H),对比了两者的性能。结果表明：C-S和C-H的纤维体积分数分别为45.4%,42.4%,两者密度几乎相同，说明SCR1251A/B树脂在碳纤维中的流动性好于HC3314A/B树脂；C-S和C-H在0°方向上的拉伸强度和拉伸模量均相差较小，C-S的泊松比约为C-H的2倍；与C-H相比，C-S的压缩强度提高了100.9%,压缩模量提高了57.4%,弯曲强度提高了73.1%,弯曲模量提高了19.7%,面内剪切强度提高了55.3%,面内剪切模量提高了111.1%,层间剪切强度提高了51.5%。     

环氧树脂的力学性能对单向复合材料层压板某些机械性能的影响

本文通过试验及微观力学强度理论分析指出,单向复合材料层压板的拉伸强度和层间剪切强度主要受树脂基体拉伸弹性模量控制。     

盐雾环境对玻璃纤维-铝合金层合板力学性能的影响

通过研究玻璃纤维-铝合金层合板在盐雾环境下不同老化周期后的力学性能及复合材料层红外光谱,分析了层合板在盐雾老化条件下的性能变化。在加速盐雾老化条件下,树脂基体发生了降解,树脂-纤维界面及表面铝合金发生腐蚀破坏,随老化时间的延长,0°及90°层合板的拉伸、压缩及面内剪切强度均呈现出明显的下降趋势,90°层合板内部受到的损伤更为严重,盐雾环境会降低层合板内热固性树脂基体的交联程度,并破坏树脂-纤维及树脂-铝合金的界面,影响应力在玻璃纤维-铝合金层合板层间的传递,使材料力学性能发生衰减。     

Bragg光栅传感器在复合材料加工与检测中的应用

本文介绍了Bragg光栅传感器的结构和工作原理。将Bragg光栅传感器埋入增强体内,通过VARTM成型制作了复合材料。利用SM130光纤光栅解调器,通过收集光的波长的变化来对复合材料的加工工艺进行了在线监测;对埋入光纤光栅传感器的复合材料进行了拉伸试验,通过波长的变化来计算材料在拉伸过程中的受力变化,并与常规的拉伸试验进行了对比,两者所测得的力是基本一样的,所以证明了通过光纤光栅传感器可以进行复合材料的健康监测,并且可疑对大型复合材料的加工、使用实施在线监控。     

双轴向经编和三维正交机织增强复合材料拉伸性能实验研究

为对比双轴向经编和三维正交机织玻纤复合材料沿0°和90°方向拉伸性能,分别以0°/90°双轴向经编织物和三维正交机织物为增强体,E-2511-1A环氧树脂/2511-1BT固化剂为基体,通过VARTM成型,测试试样沿0°和90°拉伸性能。结果表明,该双轴向经编复合材料仅在0°方向拉伸强度和当量强度略高,弹性模量和当量模量均弱于三维正交机织复合材料,这与增强体纱线线密度和织造密度紧密相关。复合材料拉伸断裂截面显示,三维正交机织物内Z纱有效改善了双轴向经编复合材料易拉伸分层失效和断裂截面处纤维抽拔、脱粘等问题。     

单丝定向铺放机针刺伤对复合材料力学性能的影响

为研究单丝定向铺放机针刺伤对复合材料板材力学性能的影响,本文以碳纤维和环氧树脂为增强材料和基体树脂,根据实际生产中出现的机针刺伤从低到高逐渐变化,设计制备了五种不同机针刺伤等级的预制体,并利用真空辅助模塑成型工艺(VARI)制备复合材料板材。通过测试材料截面C扫图,以及拉伸和压缩性能,结合断裂截面SEM图,分析机针刺伤对复合材料板材力学性能的影响机理。结果表明:当针距为10 mm单次缝合时,刺伤程度最小,材料拉伸断裂时纤维抽拔较多,材料拉伸强度和压缩强度最低。当针距由10 mm减小至8 mm时,缝合针数增加,刺伤程度增加,拉伸断裂时纤维抽拔减少,拉伸强度提升约30%,拉伸模量提升10%;压缩断裂截面基体破损减少,压缩强度提升了20%,压缩模量提升25%;当针距减小至4 mm时,复合材料的拉伸性能和压缩性能变化很小;当针距不变,缝合次数增加1倍时,复合材料的拉伸强度及拉伸模量变化均低于5%,压缩强度基本不变,压缩模量下降5.7%。在保证材料尺寸稳定及机针刺伤对预制体力学性能的前提下,选择8 mm针距有助于提高生产效率。     

厚截面复合材料固化温度不均匀性对力学性能的影响

通过对厚截面复合材料层合板不同部位设置隔离膜与热电偶的方法来测试厚截面复合材料在固化过程中沿厚度方向的温度分布。采用横向拉伸和短梁剪切测试手段,研究了厚截面复合材料制件固化过程中沿厚度方向的温度不均匀性对力学性能的影响规律,并通过扫描电子显微镜(SEM)分析了层合板力学性能测试后的断面微观形貌。结果表明,厚截面复合材料固化过程中沿厚度方向存在明显的温度梯度,随着温差的增加,拉伸强度、层间剪切强度力学性能呈下降趋势。以上层合板为参考对象,当层合板沿厚度方向温差为20.6℃时,其横向拉伸强度相差7.4%,层间剪切强度相差6.8%;当层合板沿厚度方向温差为10.2℃时,其横向拉伸强度相差3.8%,层间剪切强度相差3.4%。这是由于固化温度过高,树脂与碳纤维界面的结合强度降低。该研究为厚截面复合材料制件热压罐成型过程中温度场均匀调控的必要性提供了重要的实验依据及理论参考。     

玄武岩纤维多轴向经编增强复合材料力学性能研究

以玄武岩纤维多轴向经编织物为增强体,以环氧树脂为基体,通过真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺,实现复合材料成型。分别测试玄武岩纤维的单轴向、双轴向、四轴向经编复合材料沿0°和90°方向的拉伸、弯曲性能,并对断裂后的图像及试验数据进行对比分析。最终确定了玄武岩纤维的三种轴向经编复合材料沿0°方向双轴向拉伸强度比四轴向高28. 13%,弯曲强度比四轴向高10. 59%,沿90°方向单轴向拉伸强度比双轴向高22. 94%,比四轴向高58. 64%,弯曲强度比双轴向高21. 02%,比四轴向高63. 46%。     

1种耐高温膜外壳用复合材料的研究

研究了1种玻璃纤维增强环氧树脂基耐高温复合材料,对材料的工艺性、耐热性和力学性能进行了分析。结果表明,树脂基体的拉伸强度87.51 MPa,弯曲强度130 MPa;单向纤维增强复合材料0°方向的拉伸强度1 464 MPa,层间剪切强度79.05 MPa,力学性能优良。该复合材料适用于制造耐高温膜外壳,在多种高温水处理环境中具有广阔的应用前景。     

碳纤维/环氧树脂层压板孔隙率及力学性能的试验表征

 采用超声C扫描、显微镜分析及图像分析软件对层压板的孔隙含量、分布、形状及尺寸进行了定量表征,分析了孔隙率对纵向拉伸强度、压缩强度和层间剪切强度的影响规律。结果表明,铺层方式影响孔隙的分布;对于两种铺层形式的层压板,孔隙等效直径和纵横比都随孔隙率的增加而增加;随着固化压力的不断减小,孔隙率不断增大,层间剪切强度、纵向拉伸强度和压缩强度不断下降,且铺层方式影响纵向拉伸模量变化。     

苯氧树脂增韧自行车轮圈用环氧树脂体系性能研究

添加不同含量的苯氧树脂增韧剂和助剂,开发了一种自行车轮圈用耐高温环氧树脂体系。考察了树脂体系浇注体的力学性能及其复合材料层压板的干态和湿态动态力学性能、层间剪切性能和弯曲性能。研究结果表明:增韧剂含量为15%时,其浇注体的拉伸强度为79.6 MPa,断裂伸长率为3.25%,弯曲强度为148.5 MPa,压缩强度为170 MPa;其层压板层间剪切强度为86 MPa,弯曲强度为1 575 MPa,干态玻璃化转变温度为261℃,水浸35 d后玻璃化转变温度为233℃;在一定温度区间层压板干/湿态层间剪切强度及干态弯曲强度与温度呈现线性负相关关系。所制备的TR1219G/T700材料体系,可用于复合材料自行车轮圈的研发与生产。