陶瓷纤维增强SiO2气凝胶复合材料面内拉伸非均匀全场应变测量与分析

通过设计圆弧边缘夹持方案和狗骨形拉伸试样,开展了陶瓷纤维增强SiO₂气凝胶复合材料室温环境中的面内拉伸性能试验,采用数字图像相关方法对陶瓷纤维增强SiO₂气凝胶复合材料表面的全场变形进行测量和分析,并结合获得的非均匀应变分布情况进一步讨论其力学行为特征和变形断裂机制。结果表明:纤维增强增韧机制使陶瓷纤维增强SiO₂气凝胶复合材料的面内拉伸行为表现出一定的非线性及韧性特征;在一定载荷水平下,陶瓷纤维增强SiO₂气凝胶复合材料表面应变分布呈显著的非均匀特征,与内部随机的纤维排布及各处传力情况不同相关,可选择较大计算区域进行平均化处理来减弱对测试中应变度量的影响;在加载和断裂过程中陶瓷纤维增强SiO₂气凝胶复合材料表面存在局部应变集中现象,并随着裂纹扩展而发生演变,面内拉伸载荷下的宏观断口呈锯齿状特征,主要由剪应力主导的基体断裂、法向针刺对纤维铺层的约束等原因所致。本文研究结果为隔热复合材料的强韧化性能提高指明了方向。      

莫来石纤维增强SiO_2气凝胶复合材料的力学性能试验

为了探究莫来石纤维增强SiO_2气凝胶复合材料的拉伸和层间剪切性能,开展了相关试验。首先,进行了复合材料在室温下的面内拉伸试验,获得了复合材料的室温面内拉伸模量;然后,采用引伸计方法和数字图像相关法分别对拉伸变形进行测量,并对2种方法进行了对比分析;最后,开展了不同温度下的层间剪切试验,研究了复合材料在不同温度下的层间剪切性能,并对其微观结构进行了分析。结果表明:复合材料的拉伸模量约为285.17 MPa;由引伸计方法测得的拉伸变形计算出的拉伸模量比数字图像相关法获得的拉伸模量高2.4%;在室温和高温下,试样呈现明显的层间剪切破坏;对复合材料的微观分析发现,SiO_2气凝胶基体主要分布在层间区域,增强纤维主要分布在铺层内。所得结论表明莫来石纤维增强SiO_2气凝胶复合材料拉伸和层间性能较差,当承受层间载荷时,SiO_2气凝胶基体起主要作用,且温度对复合材料的性能影响较大。     

氧化硅气凝胶隔热复合材料研究进展

氧化硅气凝胶由于纤细的纳米结构,具有极低的热导率,是一种新型轻质保温隔热的理想材料。但其力学性能和高温遮挡红外辐射能力差限制了气凝胶在该领域的应用。通过添加增强体和遮光剂研制气凝胶隔热复合材料是主要的解决方法。本文综述了近年来气凝胶隔热复合材料的制备方法,重点分析了气凝胶复合材料在力学性能和隔热性能方面的研究进展,并指出了存在的问题,对今后的研究提出了展望。     

基于数字图像相关方法的气凝胶复合材料各向异性热变形测量

在热防护材料及结构高温力学性能研究中,测量其在热载荷与机械载荷作用下产生的变形是重要且基础的工作。基于数字图像相关方法,建立了可实现800℃变形测量的非接触式测量系统。针对陶瓷纤维增强SiO_2气凝胶复合材料,从面外和面内两个材料方向,以25℃为参考温度,试验测量了材料加热至300~800℃范围内不同温度时产生的热变形。研究结果表明,在此试验系统基础上的变形测量方法可用来测量此类热防护材料的高温变形。陶瓷纤维增强SiO2气凝胶复合材料的高温热变形具有明显的各向异性,面外方向上表现为"收缩",面内方向上表现为"膨胀"。SiO_2气凝胶基体中的颗粒团聚以及增强纤维在面内方向上的铺层分布是导致热变形各向异性的主要原因。     

耐高温二氧化硅气凝胶复合材料制备及其导热研究

以二氧化硅溶胶为前驱体,利用树脂转移模塑成型(Resin transfer molding,RTM)工艺制备了二氧化硅气凝胶复合材料.对制备的气凝胶复合材料进行了结构表征;对气凝胶复合材料的隔热性能和耐高温性能进行了试验考核,结果显示,20 mm厚材料经过900℃、1000 s的石英灯考核后背温为186℃,材料经过1100℃、1000 s的马弗炉试验后线收缩率为1.2％,该气凝胶复合材料具有优良的隔热性能和耐高温性能.研究了温度对气凝胶复合材料导热的影响,结果表明,气凝胶复合材料的导热系数随温度的升高逐渐增大,900℃导热系数为室温的5倍.研究了气体环境对气凝胶复合材料导热的影响,发现氮气环境下气凝胶复合材料的导热系数随温度的变化与空气环境基本相同.     

填充改性苯乙炔封端的聚酰亚胺复合材料力学性能研究

分别采用碳纳米管(CNTs)和石墨烯对聚酰亚胺树脂进行增强,制备了碳纤维增强复合材料。测试复合材料在不同温度下拉伸、弯曲、层剪等力学性能,通过SEM和TEM对材料微观结构进行表征。结果表明,增强后复合材料的力学性能在室温和高温条件下均有所提高。相比300℃时未改性的复合材料,填充CNTs复合材料的拉伸模量和填充石墨烯复合材料的弯曲强度均有所提升。     

温度对缝合气凝胶夹芯复合材料面内压缩性能的影响

分别开展缝合气凝胶夹芯复合材料在不同温度下的面内压缩试验,研究材料在室温、300℃、600℃和800℃下的面内压缩力学性能,并采用微焦点工业CT扫描的方法对试样内部结构进行分析,结合有限元分析方法,探究其结构破坏机制。结果表明:在面内压缩载荷作用下,材料存在极限载荷,面板的局部屈曲、芯层的剪切破坏以及缝线柱的断裂是材料破坏的主要方式。随着温度的升高,材料的面内压缩模量和极限载荷也逐渐升高,面板破坏处的断口逐渐呈现出类似脆性的断裂。300℃、600℃和800℃下材料的面内压缩模量分别为室温的1.05倍、1.57倍和1.65倍;极限载荷分别为室温的1.14倍、1.46倍和1.67倍。室温下有限元分析结果和试验结果的对比,验证了缝合气凝胶夹芯复合材料面内压缩破坏模式的合理性。     

高温耐磨PTFE复合材料的力学性能和摩擦性能

在室温～250℃宽范围内研究了温度对PTFE基复合材料硬度、剪切强度、压缩模量及磨损率的影响。结果表明,温度升高,聚四氟乙烯(PTFE)复合材料的剪切强度和压缩模量呈二次抛物型曲线快速降低,而硬度呈线性递减关系;所制纳微协同增强PTFE复合材料承载时200℃附近才出现磨损率拐点,明显优于国内外水平;基于室温环境的聚合物力学、磨损性能以及高温下的力学性能,建立了聚合物磨损预测方程,可以快捷地预测出高温下PTFE复合材料的磨损率。     

SiO_2溶胶配比对气凝胶隔热复合材料力学性能的影响

以无机陶瓷纤维为增强体,与SiO2溶胶混合,经超临界干燥制备了SiO2气凝胶隔热复合材料,研究了SiO2溶胶配比对气凝胶及其复合材料微观结构和力学性能的影响。结果表明,随着SiO2溶胶中乙醇含量的增大,SiO2气凝胶的密度逐渐降低,平均孔径增大,气凝胶中含有的大孔、连孔数量增加,网络骨架结构强度降低。纤维与SiO2气凝胶复合后,气凝胶充满了纤维间的孔隙,形成较好的界面结合。当乙醇/正硅酸乙酯(EtOH/TEOS)摩尔比由2∶1增加到20∶1时,SiO2气凝胶基体传递载荷能力逐渐减弱,材料的力学性能逐渐降低,其拉伸强度、弯曲强度和压缩强度分别由1.9 MPa、2.7 MPa、1.73 MPa(10%应变)降低到0.17 MPa、0.12 MPa、0.04 MPa(10%应变)。     

耐高温氧化铝气凝胶隔热复合材料研究进展

氧化铝气凝胶是一种高孔隙率、低密度、高比表面积、耐高温和低热导的纳米多孔材料,在高温隔热领域(如航天飞行器热防护系统、工业窑炉保温材料等)具有广阔的应用前景.但是,纯氧化铝气凝胶因耐温性(1000℃以上)、力学性能和高温隔热性能相对较差难以直接应用,需要引入增强相和遮光组分制备成气凝胶复合材料以进行改善.本文对耐高温氧...     

采用数字图像相关方法的莫来石纤维增强气凝胶复合材料力学试验

基于V型缺口试样双轨剪切法设计了面内剪切试验方案,开展了莫来石纤维增强气凝胶复合材料的室温面内剪切和弯曲性能试验,采用数字图像相关方法对试样表面的位移场和应变场进行测量,并分析了力学行为和破坏模式。结果表明:设计的试验方案可以在测试区域获得均匀的剪切应变场,适用于莫来石纤维增强气凝胶复合材料的面内剪切性能测试。试验获得的面内剪切模量和强度分别为248 MPa和0.95 MPa,弯曲模量和强度分别为294 MPa和2.08 MPa。面内剪切载荷下,试样的裂纹萌生于缺口尖端附近,并沿两缺口连线方向扩展。根据弯曲正应变场的分布特点,发现试样中性层与几何对称面不重合,验证了该材料拉压模量不同的性质。采用数字图像相关方法获得的中性层位置和理论计算值比较接近,相对误差在10%左右。     

莫来石纤维增强SiO_(2)气凝胶复合材料压缩回弹性能实验与建模研究EI北大核心CSCD

对莫来石纤维增强SiO_(2)气凝胶复合材料开展面外方向单轴压缩实验,研究不同极限应变、热暴露温度对压缩回弹行为与变形恢复能力的影响,基于微观结构形貌变化阐释内在机制,对加载和卸载阶段的变形行为建立唯像力学模型。结果表明:莫来石纤维增强SiO_(2)气凝胶复合材料的压缩回弹行为呈现非线性特征,极限应变越大,变形恢复能力越差;高温热暴露预处理会对压缩回弹性能产生影响,热暴露温度越高,变形恢复能力越差,基体颗粒-团簇结构的聚集、大尺寸孔洞的形成和塌陷是主要原因;所建立的唯像力学模型可以用来描述材料在压缩加载-卸载时的应力-应变曲线,拟合结果与实验数据吻合较好。     

2D Carbon Fiber Reinforced High Density Polyethylene Multi-Layered Laminated Composite Panels: Structural,Mechanical, Thermal,and Morphological Profile

Carbon fiber reinforced high density polyethylene multi-layered laminated composite panels(HDPE/CF MLCP) with excellent in-plane properties along transverse direction have been formulated. Composite architectures with carbon fiber(CF) designed in 2D layout in conventional composites can alleviate their properties in thickness direction, but all attempts so far developed have achieved restrained success. Here,we have exposed an approach to the high strength composite challenge, without altering the 2D stack design on the basis of concept of fiber reinforced laminated composites that would provide enhanced mechanical and thermal properties along transverse direction. CF sheets allowed the buckling of adjoining plies in 2D MLCP. We fabricated 2D MLCP by stacking the alternative CF and HDPE layers under different loading conditions, which resulted in high strength composites. These plies of CF and HDPE served as unit cells for MLCP, with CF offering much-needed fracture toughness and hardness to these materials.For 2D HDPE/CF MLCP, we demonstrated noteworthy improvement in physical and chemical interaction between CF and HDPE, in-plane fracture strain, flexural strength(30.684 MPa), bending modulus(7436.254 MPa), thermal stability(40.94%), and surface morphology, upon increasing the CF layers up to twenty, enabling these composites truly for high temperature and high strength applications.     

SiOC气凝胶/柔性陶瓷纤维复合材料的制备和性能

选用正硅酸乙酯(TEOS)和甲基三甲氧基硅烷(MTMS)为前驱体,用溶胶-凝胶法制备不同C/Si(原子比,下同)比的SiOC气凝胶,再用大气喷涂法将其喷涂在柔性陶瓷纤维隔热毡中制备出SiOC气凝胶/柔性陶瓷纤维复合材料。C/Si比,是影响SiOC气凝胶/柔性陶瓷纤维复合材料性能的主要因素。随着C/Si比的提高SiOC溶液的凝胶时间延长且更易浸入隔热毡,材料的密度和热导率先降低后提高。C/Si比为0.67的材料热导率最低,其室温热导率为0.026 W/m·K,1000℃时的热导率为0.174 W/m·K。与未改性的隔热毡相比,其热导率显著降低,尤其是在高温下热导率降低47%;同时,这种材料还具有优异的耐高温和抗氧化性能,在1200℃空气中静烧1 h后试样的质量损失只约为1%,静烧3 h后约为5%,随着C/Si比的提高其质量损失随之提高;同时,SiOC气凝胶复合材料还具有良好的疏水性能、柔性和回弹性。     

Experimental description of thermomechanical properties of carbon fiber-reinforced TiC matrix composites

Titanium carbide ceramic is a good potential material used in high temperature environment for its good strength, erosion resistance and thermal stability. Unfortunately, the low thermal shock resistance and low fracture toughness are the well-known impediments to its application as high temperature structure components. In order to extend the application of TiC ceramics at high temperature, 20 vol.% short carbon fiber was added into TiC matrix to improve the thermomechanical properties. With the incorporation of carbon fiber, the thermal expansion coefficient of TiC composites was decreased and the thermal conductivity was increased slightly below 900 °C. The flexural strength was improved from 471 MPa for monolithic TiC to 593 MPa for TiC composites, and the strengthening effect of carbon fiber became more prominent at high temperatures. The addition of fiber decreased the elastic modulus of TiC composite. The elastic modulus of the composite decreased with increasing temperature. The improvement of high temperature strength and thermal conductivity and the decrease of thermal expansion will benefit the application of TiC composites in high temperature environment where the temperature usually varies.     

碳纤维网络增强环氧树脂基复合材料的制备与表征

为提高碳纤维/环氧树脂复合材料的刚性和热尺寸稳定性,首先利用短切碳纤维制备了碳纤维网络增强体(CFNR),并将其与环氧树脂复合制备了CFNR/环氧树脂新型复合材料。然后,分别利用扫描电镜和热机械分析仪对CFNR/环氧树脂复合材料的微观结构和热力学性能进行了表征。结果表明:CFNR/环氧树脂复合材料中有明显的网络节点,即碳质粘结点;CFNR/环氧树脂复合材料具有较好的导电性、较高的刚性和较低的热膨胀性,其弹性模量分别为常规短切碳纤维/环氧树脂复合材料及纯环氧树脂的3倍和6倍,平均热膨胀系数(60~200℃)分别为常规短切碳纤维/环氧树脂复合材料的1/15及纯环氧树脂的1/40;随着温度升高,CFNR/环氧树脂复合材料、常规短切碳纤维/环氧树脂复合材料及纯环氧树脂的弹性模量均因环氧树脂变软而降低,当温度高于80℃时,CFNR/环氧树脂复合材料的弹性模量分别约为常规短切碳纤维/环氧树脂复合材料的7倍和纯环氧树脂的近70倍。研究结论可以为开发高刚性、低膨胀聚合物基复合材料提供实验依据和理论指导。     

2.5D机织石英纤维增强树脂复合材料不同方向力学性能测试与模量预测2.5D机织石英纤维增强树脂复合材料不同方向力学性能测试与模量预测

石英纤维增强树脂复合材料常用于多物理场耦合环境下,为保证足够的层间性能,常采用2.5D机织的结构形式。本文对一种浅交弯联2.5D机织石英纤维增强双马树脂复合材料的三维力学性能进行全面测试,对比分析了材料在不同方向的拉伸性能和压缩性能,以及面内、面外剪切性能。测试结果表明,该复合材料的纬向拉伸、压缩模量略高于经向,而拉伸、压缩强度远高于经向,导致经向和纬向拉、压破坏模式差异显著,拉伸时弯曲的经向纤维被拉断,平直的纬向纤维劈裂,压缩时平直的纬向纤维压断,弯曲的经向纤维屈曲。同时,该种材料具有较高的面内、面外剪切变形能力。此外,本文基于混合定律,提出了一个2.5D机织复合材料经、纬向模量估算公式。基于材料微观结构特征,以包含经纱和纬纱的一个单胞作为代表性体积单元,建立有限元模型,预测该2.5D机织复合材料经向模量,预测结果与试验结果吻合很好。本文的研究对2.5D机织石英纤维/双马树脂复合材料的研发具有一定的指导意义。