非连续湿热作用下树脂基复合材料性能变化及机理的研究

为研究非连续湿热作用对树脂基复合材料性能的影响及其湿热老化机理,对碳纤维增强环氧树脂基复合材料T700/TR1219B进行了湿热环境因素对比实验及循环吸湿实验,对比了经历不同吸湿-脱湿历程试样的弯曲和层间剪切性能及微观断口形貌。结果表明,单一湿度因素使T700/TR1219B体系力学性能降低,单一温度因素使其弯曲性能降低,层间剪切性能增强,湿热耦合作用会加剧材料性能的劣化;材料的吸湿和脱湿过程均满足Fick定律;随着循环次数的增加,材料的吸湿和脱湿速率均有所加快;吸湿后T700/TR1219B体系力学性能降低,出现树脂脱落等现象,脱湿后弯曲性能无法恢复未老化状态,但层间性能略有增加,且界面脱黏情况得以改善,层间裂纹不再明显。     

湿热老化对PBO/T700层间混杂复合材料力学性能的影响

分别利用材料万能试验机和DMA研究了湿热老化时间对PBO/T700层间混杂复合材料静态力学性能和动态力学性能的影响。结果表明,在湿热环境下加速老化不同时间后,PBO/T700层间混杂复合材料的拉伸强度和模量、弯曲强度和模量并未发生明显变化;压缩强度和层间剪切强度均出现了一定程度的下降,最大降幅分别为14.4%和9.5%;湿热老化使得PBO/T700层间混杂复合材料的耐热性有所提高,当老化时间为30d时,混杂复合材料的T_g从127.6℃升高到136.3℃,随着老化时间进一步延长,混杂复合材料的T_g降低,E'和E″向低温方向移动,表明混杂复合材料的耐热性又开始下降。     

单向CF/PA6复合材料性能劣化及老化寿命预测

利用热压成型工艺制备出碳纤维(CF)/尼龙6(PA6)复合材料单向板,并将复合材料试样置于蒸馏水热水浴中,分别在25,60,80℃下进行不同时间的湿热老化,再对湿热老化后复合材料试样进行吸湿测试、三点弯曲测试、微观形貌表征,探究复合材料的吸湿规律、力学性能劣化规律和微观形貌变化,并对复合材料的长期寿命进行预测。结果发现,复合材料在25,60℃下的吸湿行为基本符合Fick扩散定律,而80℃下在老化最后阶段出现了背离Fick扩散定律现象。复合材料的弯曲强度随老化温度、老化时间的增加呈下降趋势,分别在25,60,80℃下老化120 d后,试样弯曲强度分别下降了22.78%,25.0%,26.25%。但是老化温度、老化时间对弯曲弹性模量无显著影响,且CF与PA6树脂之间的界面黏合性能随着温度、时间的增加逐渐变差。以绍兴2021年平均温度作为服役温度,基于加速老化测试模型和阿伦尼乌斯理论建立了CF/PA6复合材料在服役环境下剩余弯曲强度的预测模型,可预测到1 400 d后,CF/PA6复合材料的弯曲强度保留率在64.8%左右。     

RTM工艺成型国产T700碳纤维复合材料湿热性能

采用树脂传递模塑工艺制备了国产T700级碳纤维织物ZT7H3194U增强环氧树脂5284RTM复合材料层板。通过超声C扫描和显微分析法评价了层板的内部质量,研究了ZT7H3194U/5284RTM复合材料的吸湿特性,利用动态热力学分析评价了湿热老化对复合材料耐热性能的影响,研究了ZT7H3194U/5284RTM复合材料在室温干态及吸湿平衡后在高温条件下的力学性能。结果表明,所制备的复合材料层板内部质量良好。纤维体积分数为58%的ZT7H3194U/5284RTM复合材料的平衡吸湿率约为0.41%。随着湿热老化时间的延长,复合材料的玻璃化转变温度(Tg)及储能模量拐点温度(Tg m o d)均逐渐下降,并随着吸湿平衡而趋于平稳,达到平衡吸湿后,复合材料的Tg和Tg m o d仅分别下降了约7%和8%。吸湿平衡后的ZT7H3194U/5284RTM复合材料在高温条件下的力学性能保持率较高。综合湿热老化前后其耐热性能和力学性能的变化情况来看,ZT7H3194U/5284RTM复合材料具有良好的耐湿热性能。     

紫外光照射对新型双马来酰亚胺基复合材料性能的影响

利用紫外灯对T700碳纤维增强双马来酰亚胺基复合材料(T700/5429)进行了90 d的紫外光照射,采用扫描电子显微镜、万能试验机、傅里叶变换红外光谱仪及动态热机械分析仪分析了紫外光照射前后复合材料的表面形貌、弯曲断面形貌、特征基团透射峰面积及力学性能的变化情况。结果表明,经90 d的紫外光照射后,T700/5429表面纤维出现裸露,树脂基体有脱落的现象;而复合材料的面内压缩强度和弯曲强度保持较好。透射峰面积的变化、纤维裸露及玻璃化转变温度的降低表明了90 d紫外光照射会使双马来酰亚胺树脂基体的酰亚胺环裂解。     

复合材料湿热老化行为研究及其耐久性预测

本文研究了湿热老化环境对复合材料吸湿性能的影响,分析了材料弯曲强度、弯曲模量随老化时间的变化关系.研究结果表明,在湿热老化初期,材料吸湿变化满足Fickian扩散定律,在湿热老化后期材料增重率出现偏离Fickian定律的现象;随湿热老化时间的增加,复合材料的弯曲强度、弯曲模量均有不同程度的下降,并且在湿热老化后期复合材料弯曲强度受界面性能的影响显著.建立了复合材料力学性能与湿热老化时间的定性/定量关系,在耐久性预测模型中引入界面参数的概念,拟合结果与实测值较为接近.     

T700碳纤维复合材料耐湿热老化研究

选用TDE-85和E-51作为主体树脂,制备了一种T700碳纤维复合材料,并对这种复合材料进行耐湿热老化研究,分别测定其抗剪切强度、抗拉伸强度及模量和玻璃化转变温度随老化时间的变化值。结果表明,该T700碳纤维复合材料耐湿热老化性能较好,其力学性能在2 000 h的老化过程中变化不太大,但是其玻璃化转变温度值降低很多。     

玻璃纤维/乙烯基酯树脂复合材料的热老化机理

通过90,135,180℃下的热老化试验,并结合红外光谱、动态热机械分析及扫描电镜分析表征了玻璃纤维/乙烯基酯树脂复合材料热老化前后化学组成、玻璃化转变温度、储能模量和微观形貌的变化,研究了热老化过程中复合材料力学性能变化的原因并分析了复合材料的热老化机理。结果表明,不同温度条件下,玻璃纤维/乙烯基酯树脂复合材料的弯曲性能均呈现先上升再下降的趋势。热老化前期材料发生残余交联,交联密度变大,力学性能上升。随着热老化时间的增加,高分子链发生断裂,树脂基体热解且出现脱粘破坏,加速了热老化行为,导致力学性能下降明显。     

运动训练器材用碳纤维复合材料的湿热老化行为研究

采用真空辅助成型的方法制备运动训练器材碳纤维复合材料层合板,研究了40℃和60℃的湿热老化环境下碳纤维复合材料的吸湿率、拉伸强度、弯曲强度、压缩强度和剪切强度变化,并观察了不同老化条件下的拉伸断口形貌。结果表明,温度越高,运动训练器材碳纤维复合材料的平衡吸湿率、线性段斜率和扩散系数越大。当湿热老化温度为40℃和60℃时,随着老化时间延长,碳纤维复合材料的拉伸强度、弯曲强度都先增后减,分别在老化时间为14d和7d时取得最大值。当湿热老化温度为40℃和60℃时,随着老化时间延长,碳纤维复合材料的压缩强度先增大后减小,在老化时间为35d时取得最大值。当湿热老化温度为40℃时,随着老化时间延长,碳纤维复合材料的剪切强度先增大后减小,在老化时间为7d时取得最大值;当湿热老化温度为60℃时,随着老化时间延长,碳纤维复合材料的剪切强度逐渐减小。碳纤维复合材料在湿热环境下的力学性能变化,主要与温度和湿度共同作用下碳纤维复合材料的增塑和固化有关。     

热空气老化对PBO/T700层间混杂复合材料力学性能的影响

分别利用材料万能试验机和DMA研究了热空气老化对PBO/T700层间混杂复合材料静态力学性能和动态力学行为的影响。静态力学性能测试结果表明,经热空气老化不同时间后,PBO/T700层间混杂复合材料的拉伸强度和压缩强度均出现了一定程度的下降,最大降幅分别为12.7%和6.9%,拉伸模量从126 GPa增大到145 GPa,弯曲强度、弯曲模量和层间剪切强度变化较小。DMA测试结果表明,热空气老化使PBO/T700层间混杂复合材料的耐热性和刚性提高,随着老化时间的增加,E'向低温方向移动,E″向高温方向移动,说明复合材料的耐热性和刚性又开始下降。     

环氧改性聚三唑树脂共混体系的研究

采用双酚A型环氧树脂6150和脂环族缩水甘油脂三官能环氧树脂TDE85共混改性聚三唑树脂（PTA）树脂。对改性树脂及其T700复合材料的热性能和力学性能进行了研究,结果表明,共混树脂体系中6150、 TDE85与PTA的质量比为1∶1∶2时,环氧树脂能够提升PTA的韧性,改善PTA树脂与碳纤维的界面,从而对复合材料的力学性能产生有利影响。相比于T700/PTA复合材料,T700/环氧-PTA复合材料的0°压缩强度达到1 259.6 MPa,层间剪切强度达到100.9 MPa,分别提升了67.6%和142.5%。聚三唑树脂能有效提升环氧树脂体系的耐温性,共混体系的玻璃化转变温度为191.6℃。环氧树脂和PTA树脂性能互补,共混既可提升环氧树脂的耐热性,还可改善PTA树脂的工艺性能。     

改性热固性丁苯树脂复合材料的人造海水腐蚀老化行为

本文对改性热固性丁苯树脂(GPSB)复合材料进行了人造海水加速老化试验。研究了GPSB复合材料在人造海水中的吸湿特性和吸湿机理。采用红外光谱分析了材料树脂基体中的化学结构变化。采用电子万能试验机和动态机械分析仪考察了试验前后GPSB复合材料的静态和动态力学性能变化。结果表明,经人造海水老化50天,材料的弯曲强度和层间剪切强度的保留率分别为66.6%和55.3%,储能模量降低。电学性能研究表明,老化试验后,材料的介电性能得到保持。采用扫描电子显微镜观察了人造海水腐蚀前后复合材料界面形貌,发现GPSB复合材料的人造海水腐蚀老化主要发生在树脂和玻璃纤维的界面。     

碳纤维增强双马来酰亚胺树脂复合材料耐湿热性能

采用改性双马来酰亚胺树脂与碳纤维制备了耐热及耐湿热性能优异的复合材料。通过红外光谱分析、不同温度下力学性能测试及动态力学性能测试分析等,考察了该复合材料耐热及耐湿热性能;从吸湿特性、物理、化学特性及热应力等方面分析了湿热处理前、后复合材料高温环境下力学性能衰减机理。结果表明,复合材料吸湿初始阶段符合Fick第二定律,平衡吸湿率为0.97%~1.32%;湿热处理对复合材料基体化学结构和玻璃化转变温度基本无影响;界面处不断增大的热应力削弱界面结合强度,这是高温环境下力学性能下降的关键因素;与国内外同类复合材料相比,该复合材料湿热处理前、后在高温下弯曲性能和层间剪切强度保持率较高,耐热及耐湿热性能出众。     

聚酰亚胺纤维增强环氧树脂结构透波复合材料的性能研究及机制分析

选择聚酰亚胺纤维和环氧树脂,采用热熔法制备出了聚酰亚胺/环氧结构透波复合材料。通过傅里叶变换红外光谱、吸湿率、力学性能、介电性能、湿热老化性能以及扫描电子显微镜等表征手段,研究了聚酰亚胺/环氧结构透波复合材料的结构透波性能和耐湿热环境性能。研究结果表明：聚酰亚胺纤维中刚性共轭结构赋予了聚酰亚胺纤维复合材料良好的透波性能和耐湿热性能,但是与石英纤维增强环氧树脂复合材料相比,聚酰亚胺纤维增强环氧树脂结构透波复合材料仍存在着压缩强度、弯曲强度与层间剪切强度低、吸湿率高的问题;力学性能破坏模式分析结果显示,聚酰亚胺纤维同时存在有机纤维的吸湿、压缩强度低、纤维/树脂界面结合差的问题。     

苎麻/玻璃纤维混杂复合材料的老化研究及寿命预测

采用玻璃纤维布与苎麻纤维布混杂增强乙烯基树脂制备复合材料,结合船舶在服役环境下的实际情况,通过人工加速老化的方法,对苎麻纤维/玻璃纤维混杂复合材料进行水浸泡老化、盐雾老化和紫外老化实验,研究混杂复合材料的拉伸强度及弯曲强度等随老化时间、老化温度等的变化情况及性能退化趋势,并根据剩余强度模型对混杂复合材料进行寿命预测。研究表明,老化初期阶段试样吸湿趋势主要以浓度梯度推动的菲克扩散为主。老化环境不同,试样强度的衰减程度不同,水浸泡老化对试样影响最大,盐雾老化次之,紫外老化影响相对较少。根据剩余强度模型预测10年后盐雾试样弯曲强度保留率为78.0%,紫外老化弯曲试样强度保留率为81.89%。     

改性双马树脂/碳纤维复合材料体系耐湿热性能研究

对5428/T700复合材料的吸湿率、不同吸湿条件下的玻璃化转变温度及高温湿态力学性能进行了研究。结果表明,5428/T700体系具有较低的吸湿率,经70℃去离子水水煮72 h,吸湿率为0.5%,饱和吸湿率(水煮360 h)为0.8%。而且随着复合材料吸湿量的增加,其Tg下降缓慢;5428/T700复合材料在干态170℃下的弯曲性能和层间剪切性能保持率在70%以上,在湿态150℃下的弯曲性能和层间剪切性能保持率在50%以上;5428/T700复合材料在湿态150℃下的开孔压缩强度保持率在80%以上。     

热氧环境对单向碳纤维增强聚合物基复合材料的影响

用热压罐制备了单向碳纤维增强双马来酰亚胺复合材料(5429/T700),对复合材料进行了最长90 d的150℃热氧环境处理,观察和测试了不同处理时间的复合材料的红外光谱、质量变化、表面形貌、断口形貌、动态力学性能、弯曲强度和面内压缩强度。研究结果表明:在热氧环境处理90 d后,复合材料的红外峰值未显示新特征峰,可能是因为树脂基体中未形成新的基团;树脂基体的玻璃化转变温度、复合材料的弯曲强度和面内压缩强度均发生变化,总体上有所升高,且变化规律具有分形特征,其分形维数分别为1.04和1.02。     

三元双马来酰亚胺共聚物基复合材料

用自行研制的三元双马来酰亚胺共混树脂TB711初步制备了E-玻璃纤维和碳纤维复合材料,并测试了它们的力学性能,初步研究了TB711/碳纤维复合材料在室温、高温(150～250℃)以及经沸水作用和250℃热老化后的弯曲与层剪强度的变化。试验结果表明,TB711基复合材料具有优异的高温和湿热性能,但其耐250℃热氧老化的性能较一般。     

三维角联锁复合材料弯曲性能的热老化特征

研究了三维角联锁碳纤维复合材料未老化及90℃、110℃、180℃老化16 d的弯曲力学性能。对比三维角联锁复合材料弯曲-挠度曲线、破坏形态及SEM纤维特征,分析老化温度对复合材料弯曲性能的影响。通过环氧树脂DSC分析、红外光谱分析说明老化温度对树脂热学性质、后固化现象及分子结构变化的影响。结果表明:环氧树脂老化过程存在后固化和热降解两种竞争机制,90℃老化16 d的复合材料后固化作用突出,与未老化复合材料相比其弯曲强度增大;110℃老化16 d的复合材料热降解作用占优势,材料起始破坏弯曲强度略有下降;上述两者弯曲模量基本不变,而180℃老化16 d的复合材料热降解剧烈,树脂与纤维之间严重脱粘,材料弯曲强度明显下降,弯曲模量减小。     

5405双马来酰亚胺树脂及其复合材料的性能

5405双马来酰亚胺树脂是针对飞机主受力构件应用而研制的高韧性、工艺性好的基体。本文报道该树脂浇铸体及其碳纤维复合材料的韧性及湿热方面的性能。结果表明5405树脂韧性良好、吸湿率低,耐热性与5245C相当;T300/5405复合材料在132℃湿、热条件下的弯曲强度及短梁剪切强度保持率达到IM-6/5245C的水平,能保证飞机主受力构件在130℃下的使用。