电热作用对碳纤维/环氧树脂界面性能的影响

为了研究电热作用对碳纤维/环氧树脂界面性能的影响机理,对不同强度电流处理后的碳纤维单丝/环氧树脂复合材料的界面剪切强度(IFSS)进行了表征。并采用扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱仪(FT-IR)、X射线光电子能谱仪(XPS)、差示扫描量热仪(DSC)等实验手段分析了电流强度对界面性能的影响机理。结果表明,随着电流强度的提升,碳纤维单丝/环氧树脂复合材料的界面温度随之升高。IFSS呈现先增大后减小的趋势。2～6 mA直流电流加载一定时间后,碳纤维的表面形貌变化不明显,界面组分发生了后固化反应,玻璃化转变温度(T_g)呈上升趋势;当电流强度继续增大到8 mA(200℃)时,碳纤维表面的上浆剂出现明显烧蚀的现象,界面组分的大分子链发生断裂并逐渐老化,T_g降低。综合分析认为,碳纤维导电产生的焦耳热引起了界面组分物化性能的改变,是导致碳纤维/环氧树脂IFSS变化的主要原因。     

电热作用对碳纤维/树脂复合材料界面应力的影响电热作用对碳纤维/树脂复合材料界面应力的影响

碳纤维/树脂复合材料广泛应用于民用航空器结构中,在服役期间会受到复杂环境（湿热、腐蚀、复杂应力和电热作用等）的作用,低强度电流对碳纤维/树脂复合材料的影响受到的关注较少。以碳纤维/树脂复合材料为研究对象,根据碳纤维的温敏效应和通电时的电阻变化规律,计算出碳纤维单丝/环氧树脂复合试样的界面温度范围,之后采用拉曼光谱测试和单丝断裂实验研究了低强度电流对单丝复合体系界面应力和界面剪切强度的影响。结果表明:随着电流强度的提高,单丝复合体系的界面温度随之升高,电流为8 mA时,界面温度高达约200℃。随着电流强度的增大,单丝复合体系的界面压缩应力表现为先增大后减小的趋势,电流高于7 mA后,界面处树脂出现烧蚀降解破坏;单丝断裂实验结果表明随着电流强度增大,单丝复合体系的界面剪切强度呈现先升后降的趋势,在6 mA时界面剪切强度达到最大值62.39 MPa,而8 mA时界面剪切强度仅为34.95 MPa。      

基于介电性能研究碳纤维/环氧复合材料单向板电热作用机制

采用复合材料电热试验机对碳纤维/环氧复合材料(CF/EP)单向板进行0.05~0.2A·mm~(-2)直流电流通电处理,每次通电1.5h,同时对其电热作用下的表面温度场进行测量;分析电热作用后CF/EP试样的纵向体积电阻和介电性能变化;通过三点弯曲测试表征电热作用前后的弯曲性能。结果表明:试样的温度场随通电时间均呈现先迅速上升后稳态平衡的趋势。低于0.125A·mm~(-2)的电热作用使温度场分布均匀,纵向体积电阻降低以及介电性能提升;高于0.125A·mm~(-2)的电热作用使中间区域温度场高于两边区域,纵向体积电阻上升以及介电性能下降。介电常数和损耗角正切随测试频率增大而降低,交流电导率随频率增大先稳定后上升。受电热作用影响最大的损耗角正切可作为特征参量。弯曲性能测试表明,低于0.125A·mm~(-2)的电热作用使CF/EP试样的弯曲强度和弯曲模量最大提升11.8%和7.32%,而高于0.125A·mm~(-2)的电热作用使试样的弯曲强度和弯曲模量最大降低8.26%和6.52%。     

电热作用对碳纤维树脂基复合材料力学性能的影响

采用复合材料电热实验平台,测试碳纤维树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）电热作用下温度场变化规律,同时从单丝拉伸断裂界面剪切强度、短梁剪切性能变化和剪切断口等多方面揭示电热作用对CFRP力学性能的影响机制。结果表明:电热作用会使CFRP整体温度迅速升高,在约4 min时达到稳态温度,随着电流强度的增大,CFRP层板表面温度越高,当电流强度为8 A（0.44 A/mm2）时,CFRP的表面温度达到151℃;单丝拉伸和短梁剪切界面强度都随着电流强度增加呈现先增加后降低的趋势;小电流时,电热作用产生较少的焦耳热,优化界面性能,提高界面剪切强度,大电流时,电热作用产生的焦耳热过大,对界面产生烧蚀等不可逆损伤,降低了界面结合性能。      

碳纤维增强环氧复合材料吸湿行为研究

研究碳纤维增强环氧复合材料湿热环境下的吸湿行为。通过试验测试复合材料在温度T=71℃,相对湿度RH=85%环境下吸湿性能,获取吸湿曲线。结果表明复合材料吸湿初始阶段吸湿率和t1/2是呈线性增加的关系,吸湿扩散系数D为3.13×10-3mm2/h,吸湿一定时间后吸湿速率逐渐减小,吸湿1008h左右后,达到吸湿平衡,平衡吸湿率Mm为0.86%左右。结合吸湿Fick定律,建立反映此复合材料吸湿行为的吸湿模型,能较准确的预测此复合材料在该湿热环境下任意时刻的吸湿量及预估达到特定吸湿量所需的时间。     

界面对三维编织复合材料的吸湿行为的影响

研究了不同界面结合状况的三维编织炭纤维增强环氧树脂复合材料的吸湿行为，通过对炭纤维表面氧化处理提高了复合材料的界面结合强度。对复合材料的断口和吸湿复合材料的表现形貌进行了SEM观察。结果表明，吸湿过程满足Fick扩散；强界面结合抑制了三维编织复合材料吸湿，降低了水的扩散系数。     

电热载荷对碳纤维复丝拉伸性能的影响

由于复合材料具有组成多元、各向异性等特点,电热载荷作用下碳纤维复合材料内部的响应行为十分复杂。为了研究碳纤维复合材料的电热响应,首先采用自制电热损伤试验平台,测试了不同电流强度下碳纤维复丝试样的表面温度分布,获得了碳纤维复丝电阻随温度的变化规律,初步揭示了碳纤维复丝具有温敏效应。然后,考察了不同电流处理条件下碳纤维复丝拉伸强度、断裂伸长率和拉伸模量的变化规律,并运用SEM和FTIR对电流处理前后材料的形貌和微观结构变化进行了分析。研究结果表明:纤维在通电过程中的产热效应促进了基体的进一步固化,同时提高了复丝界面的粘结性能;然而,当电流强度过大时,复丝的拉伸强度会因纤维本体的损伤或基体及界面层的烧蚀破坏而降低,从而降低了碳纤维复合材料的性能。      

预固化环氧树脂基复合材料吸湿特性研究

研究了预固化碳纤维增强环氧树脂基复合材料的吸湿特性.采用水浸法对比研究了预固化复合材料与标准工艺固化复合材料的吸湿性能,实验先后在60℃和90℃水温下进行,利用真空烘箱在100℃对比研究了两种复合材料的脱湿性能.结果表明:预固化复合材料的吸湿率及吸湿速率均高于标准工艺固化复合材料;提高吸湿温度,两者的吸湿率都会继续增加,预固化复合材料的吸湿率提高幅度较大;预固化复合材料中的水分子不会被完全脱除.     

三维编织碳纤维/环氧复合材料的吸湿特性及外应力的影响

采用真空浸渍法制备了三维编织碳纤维增强环氧树脂(C_3D/ER)复合材料,研究了该复合材料的吸湿特性及外应力的影响。讨论了应力对C_3D/ER复合材料吸湿行为的作用机理。 结果表明,与环氧树脂不同,C_3D/ER复合材料的吸湿行为不能用Fick第二定律描述。外应力可加速吸湿初期复合材料的吸水和力学性能的下降,但可降低复合材料平衡吸湿量和最终力学性能的下降幅度。分析表明,吸湿过程中C_3D/ER复合材料力学性能的高低取决于其吸湿量的大小。     

湿热和电热作用对复合材料力学性能的影响EI北大核心CSCD

对民用航空器结构用碳纤维树脂基复合材料(CFRP)进行吸湿性能研究,测试其吸湿率随时间的变化规律,同时监测吸湿过程中试样电阻率的变化规律,对饱和吸湿试样再进行通电处理,获取脱湿率与通电电流的关系,之后对未处理、吸湿及吸湿/通电处理试样进行弯曲性能测试,通过观察弯曲断口处裂纹走向及断口形貌,分析湿热、湿热/电热作用对CFRP弯曲性能的影响。结果表明,试样吸湿率随吸湿时间延长呈先上升后趋于稳定的趋势,其电阻率呈先下降后稳定的变化规律,饱和吸湿试样经通电处理后,脱湿率随电流增加而增大,但试样湿含量不能降低为0。吸湿后小电流2~4 A(ρ=33.4~66.8 m A/mm^2)处理,试样弯曲性能较单纯吸湿试样有所提升,弯曲断裂后试样并未分离成两部分,吸湿后大电流5~6 A(ρ=83.6~100.2 m A/mm^2)处理,造成试样弯曲强度下降,弯曲断裂表现为脆性断裂。     

碳纤维/环氧树脂复合材料高速冲击性能

采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备碳纤维/环氧树脂复合材料,通过空气炮冲击实验研究树脂韧性和碳纤维类型对复合材料抗高速冲击性能的影响,并对高速冲击后的试样进行压缩性能测试,研究高速冲击损伤对复合材料剩余压缩性能的影响。结果表明:树脂的韧性可以降低复合材料遭受高速冲击时的内部损伤程度,大幅提高复合材料的抗高速冲击性能和冲击后剩余压缩性能;T700S碳纤维增强复合材料抗高速冲击性能优于T800H碳纤维增强复合材料;复合材料的破坏模式与冲击速率有关,冲击速率较低时,复合材料弹击面出现圆形凹坑,背弹面出现鼓包;冲击速率较高时,复合材料弹击面出现圆形通孔,背弹面出现沿纤维方向撕裂断口。     

Effect of moisture absorption on the mechanical behavior of carbon fiber/epoxy matrix composites

A carbon fiber/epoxy unidirectional laminated composite was exposed to a humid environment and the effect of moisture absorption on the mechanical properties and failure modes was investigated. The composites were exposed to three humidity conditions, namely, 25, 55, and 95 % at a constant temperature of 25 °C. The carbon fiber–epoxy laminated composites for two different carbon fiber surface treatments were used. The results showed that the mechanical properties differ considerably for each fiber surface treatment. The application of a coupling agent enhanced the fiber-matrix adhesion and reduced dependence of the properties on humidity. The damage mechanism observed at micromechanical level was correlated to acoustic emission signals from both laminated composites. The untreated carbon fiber failure mode was attributed to fiber-matrix interfacial failure and for the silane-treated carbon fiber reinforced epoxy laminate attributed to matrix yielding followed by fiber failure with no signs of fiber-matrix interface failure for moisture contents up to 1.89 %.     

Effect of moisture absorption on the micromechanical behavior of carbon fiber/epoxy matrix composites

Carbon fiber/epoxy material in the form of a single fiber unidirectional composite was subjected to controlled humidity environments. Moisture uptake in polymer composites has significant effects on the mechanical properties of the matrix as well as on the final performance of the composite material. Diminishing of the mechanical properties of the matrix is attributed to a decrease of its glass transition temperature (T _g). The quality of the fiber–matrix interphase was assessed using the single fiber fragmentation test and the fiber-fragment length, considered as an indicator of interfacial quality. In order to measure the fiber fragment lengths and indentify failure mechanism at the interface optical observation and acoustic emission technique were used. The speed of propagation of an acoustic wave in the material was also determined. A comparison is made of interfacial shear strength values determined by acoustic emission and optical techniques. Excellent agreement between the two techniques was obtained. By means of a micromechanical model, it was possible to determine from the fragmentation lengths a measure of the interfacial shear strength between the fiber and the matrix. The role of moisture uptake swelling of the matrix on the residual stresses is considered to be important when considering the effect deterioration of interfacial shear properties. Both the contribution of the radial stresses and the mechanical component of fiber–matrix adhesion are seen to decrease rapidly for higher moisture contents in the matrix and/or interface.     

超临界流体对碳纤维/环氧树脂复合材料的降解作用

为对比分析不同超临界流体对碳纤维/环氧树脂（CF/EP）复合材料的降解效果,首先,在间歇反应釜中通过超临界流体降解CF/EP复合材料,分析了不同反应温度下超临界CO₂和超临界醇对CF/EP复合材料的降解能力,并提出了降解CF/EP复合材料的超临界流体选择方法;然后,采用单丝拉伸测试、SEM以及原子力显微镜等测试手段分析了超临界正丙醇和超临界正丁醇回收碳纤维的力学性能和微观形貌。结果表明:超临界CO₂对CF/EP复合材料的降解能力较弱,正丙醇作为夹带剂时,降解效果有显著提高;超临界正丁醇对CF/EP复合材料的降解能力最强,其次为超临界正丙醇,超临界甲醇的降解能力最弱;选用的反应介质介电常数越小、偶极矩越大、溶解度参数与树脂基体越为接近,在超临界状态下CF/EP复合材料越容易降解。使用超临界流体降解CF/EP复合材料可以得到性能优异的碳纤维,与原始碳纤维相比,通过超临界正丙醇和超临界正丁醇回收的碳纤维单丝拉伸强度保持率在98%以上,且韦氏模数相近。      

单丝断裂双树脂法研究碳纤维/环氧树脂界面粘结性能

建立了单丝断裂双树脂体系法,利用外层树脂的韧性使包埋于内层脆性树脂中的纤维单丝断裂达到饱和,解决了断裂伸长率较低的树脂基体采用传统的单丝断裂法无法测得界面剪切强度的问题.分别采用界面剪切强度和界面断裂能作为表征参量,考察了干态及湿热条件下两种T300级和两种T800级碳纤维/环氧树脂的界面性能,并与单丝断裂单树脂体系的界面性能进行比较.结果表明:单丝断裂双树脂体系与单树脂体系在表征碳纤维/环氧树脂的界面性能上定性规律一致;双树脂体系界面断裂能和界面剪切强度均可评价界面的耐湿热性能,且二者得到的变化规律一致;湿热处理后界面粘结性能均呈下降趋势,国外碳纤维体系的界面耐湿热性能明显优于国产碳纤维体系.     

单丝断裂双树脂法研究碳纤维/环氧树脂界面粘结性能

建立了单丝断裂双树脂体系法, 利用外层树脂的韧性使包埋于内层脆性树脂中的纤维单丝断裂达到饱和, 解决了断裂伸长率较低的树脂基体采用传统的单丝断裂法无法测得界面剪切强度的问题。分别采用界面剪切强度和界面断裂能作为表征参量, 考察了干态及湿热条件下两种T300级和两种T800级碳纤维/环氧树脂的界面性能, 并与单丝断裂单树脂体系的界面性能进行比较。结果表明: 单丝断裂双树脂体系与单树脂体系在表征碳纤维/环氧树脂的界面性能上定性规律一致; 双树脂体系界面断裂能和界面剪切强度均可评价界面的耐湿热性能, 且二者得到的变化规律一致; 湿热处理后界面粘结性能均呈下降趋势, 国外碳纤维体系的界面耐湿热性能明显优于国产碳纤维体系。     

混杂比对碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料弯曲性能的影响

将玄武岩纤维置于混杂铺层的压缩侧,研究了碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料的弯曲性能及混杂比对其弯曲性能的影响。通过对试样进行三点弯曲试验得到了材料的弯曲性能,并通过扫描电子显微镜观察材料的失效模式。与纯碳纤维增强环氧树脂基复合材料相比,当混杂比为16.7%和33.3%时,混杂复合材料的弯曲强度明显提升,弯曲强度分别提高12.4%和15.2%,但是其弯曲模量随着混杂比的提升而降低。混杂后的材料及玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料的失效位移都高于碳纤维增强环氧树脂基复合材料,断裂韧性明显提升。从侧面观察可以发现不同铺层在压缩侧、拉伸侧和中间层有不同的失效形式。      

碳纤维/环氧树脂脉管自润滑复合材料的制备及摩擦性能

以聚乳酸（PLA）为前驱体,碳纤维（CF）为增强体,通过经纬编织成PLA-CF复合纤维织物;以环氧树脂（EP）为基体,甲基硅油为润滑介质,采用前驱体蒸发（VaSC）技术和真空浸油方式分别制备了脉管自润滑环氧树脂（VAEP）材料和CF/VAEP复合材料。利用SEM对CF/VAEP复合材料的断面、摩擦面和对偶面形貌进行表征,以万能材料试验机和高速环块摩擦磨损试验机对CF/VAEP复合材料的力学和摩擦学性能进行了测试。结果表明:脉管结构和CF提升了EP的润滑性能和力学性能。当径向脉管密度为8孔/10 mm时,VAEP的摩擦系数和磨损率较纯EP分别降低了67.95%和85.71%;当径向脉管密度为8孔/10 mm,CF经纬丝束比为8/4时,CF/VAEP复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量比相同径向脉管密度的VAEP分别提高了203.33%、44.16%、325.78%、311.37%。