含拼接铺层碳纤维增强树脂复合材料拉伸破坏机制

对于尺寸较大或形状复杂的结构,通常需要在纤维增强树脂（FRP）复合材料内部对铺层进行拼接处理。铺层拼接会在材料内部引起复杂的应力分布,具有突出的安全隐患。以同一位置处出现不同层数铺层拼接的单向碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料为研究对象,重点分析了铺层拼接对材料拉伸力学性能的影响机制。通过拉伸实验,测试了拼接对其力学强度的影响;用相机记录了破坏过程,并结合数字图像相关技术（DIC）对拼接位置附近的应变场进行了监测。利用有限元模型（FEM）模拟和分析结构的破坏机制,采用3D-Hashin准则和渐进损伤模型对CFRP复合材料铺层进行模拟;采用内聚力模型对胶层失效行为进行描述。实验结果表明,拼接结构的引入大幅降低了材料的抗拉强度。FEM模拟与实验测试结果吻合度高,说明了模型的有效性。综合实验结果和模拟分析得到,铺层拼接处产生应力集中,造成被拼接的两部分分离并伴随拼接铺层和连续铺层的层间剪切破坏;层间破坏发生后,拉伸载荷完全由连续铺层承载。因此,材料的最终承载能力由材料中连续铺层数决定。      

低温暴露对碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸力学性能的影响

针对低温暴露对碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料力学性能影响进行研究,对低温0℃、?20℃、?40℃、?60℃暴露100 h、200 h、300 h、400 h、500 h后,对CF/EP的复合材料拉伸力学性能影响展开研究,利用SEM电镜扫描分析损伤机制,根据试验结果提出了一种预测CF/EP复合材料低温暴露后剩余强度的预测公式。试验结果表明,在长时间低温暴露后,CF/EP复合材料拉伸强度随低温暴露时间的增长呈现出先增后降的趋势;低温暴露时间低于300 h时,CF/EP复合材料拉伸强度随温度下降先增后降,暴露时间高于300 h后,拉伸强度随温度下降逐渐降低;CF/EP复合材料拉伸弹性模量随低温暴露时间的增长呈现逐渐上升趋势,温度越低,上升趋势越明显。SEM结果表明,低温暴露后,纤维与环氧树脂黏结程度增强,有利于荷载传递,CF/EP复合材料拉伸强度增大,破坏形貌上表现为纤维上包裹更多树脂;长时低温暴露后,由于纤维与基体收缩系数不同导致微裂纹产生,在受到荷载时裂纹进一步扩散,不利于荷载传递,使拉伸强度下降,破坏形貌上表现为纤维成束凝集,纤维束间距增大。基于初始试验,本文提出了一种基于初始试验的CF/EP复合材料低温暴露后剩余强度预测模型,试验与预测结果吻合较好,由于考虑了同种材料在不同低温和暴露时间耦合作用下的等效作用,可减少相同材料在不同低温与暴露时间下的试验次数,因此具备一定参考价值。      

预浸料的超薄化对碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸破坏行为的影响

采用自主研发的碳纤维（CF）宽展设备,将12K CF宽展预浸制备成0.02 mm和0.10 mm厚的CF/环氧树脂（EP）预浸料,利用模压工艺制成1 mm厚的单向层合板。利用万能试验机、声发射装置和高速照相机组成的集成系统测试其抗拉强度、加载过程中试样内部的损伤情况及断裂破坏时样品宏观形貌的变化。用SEM观测其拉伸断口形貌。分别用超景深显微镜、金相显微镜观测记录CF/EP复合材料预浸料和单向层合板中CF的排布状态以表征薄层化过程中CF和EP的分布状态对CF/EP复合材料拉伸性能的影响。结果表明:薄CF/EP复合材料预浸料中CF的排布更加均匀,制成的CF/EP复合材料单向层合板试样中层间树脂富集区的尺度明显小于厚CF/EP复合材料预浸料制成的试样,试样的抗拉强度提高了15%;薄CF/EP复合材料预浸料制成层合板试样的拉伸宏观断口形貌中分层劈裂现象减少,集束性增强,微观断口形貌中未发现横贯横截面的穿透裂纹。      

CIP/GF/CF/EP吸波复合材料的制备及力学性能

为制备兼具力学性能和电磁吸收性能的结构型吸波材料,采用真空辅助成型工艺设计制备一种以羰基铁粉(CIP)为吸收剂,玻璃纤维(GF)为透波层,碳纤维(CF)为反射层,环氧树脂(EP)为基体的吸波复合材料。研究了不同质量比CIP/EP对吸波复合材料力学性能和微波吸收性能的影响。通过FTIR和DSC分析可知CIP未与EP发生化学反应。SEM结果表明CIP能够在EP树脂基体中均匀分散,不趋向于纤维表面。力学测试分析结果显示:当CIP/EP质量比达到30%时,CIP/GF/CF/EP复合材料的力学性能最佳,拉伸强度为347.56MPa,拉伸模量为25.99GPa,较纯GF/CF/EP复合材料提升了4.3%和5.7%;弯曲强度为339.6MPa,弯曲模量为23.7GPa,较纯GF/CF/EP复合材料提升了18.2%和71.2%。矢量网络分析可知复合吸波板的吸波性能随CIP含量的增加而增加,且吸波损耗反射峰值朝低频段移动。     

超薄预浸料对碳纤维/环氧树脂复合材料导电性能的影响

为了协同提高碳纤维/环氧树脂（CF/EP）复合材料的电性能和力学性能,采用碳纤维丝束展宽、浸润一体化的工艺方法,将12K CF展宽预浸制备成厚度分别为0.02 mm、0.03 mm、0.08 mm、0.10 mm的CF/EP预浸料及其单向层合板,分析测试了微观结构尺度对CF/EP复合材料层合板电阻率、电阻率随温度及在拉伸载荷作用下响应的影响机制。结果表明,随着CF/EP预浸料厚度从0.10 mm减小到0.02 mm,CF/EP复合材料单向层合板中大尺度树脂富集区所占比例明显减小,厚度方向的电阻率从151.3 Ω·cm减小到32.1 Ω·cm,导电性能提高了约5倍;随着温度升高,CF/EP复合材料层合板电阻率逐步下降,厚预浸料层合板沿厚度方向电阻率的下降速率高于薄预浸料层合板;在载荷作用下由CF/EP薄预浸料制成的CF/EP复合材料层合板的电阻率具有较高的稳定性,表明预浸料薄层化有助于提高CF/EP复合材料抵抗载荷作用的能力,从而获得较高的力学性能和电性能。实验结果为CF/EP复合材料结构-功能一体化设计提供了基础。      

单向碳纤维增强树脂基复合材料的超低温力学性能

采用真空袋-热压罐工艺制备单向碳纤维增强树脂基复合材料(CFs/EP)层合板,并将高低温试验箱与万能试验机相结合,通过合理使用低温胶和低温引伸计,并在降温过程中实施应力-应变实时调零等关键技术,在室温和液氧超低温度(-183℃)下对单向CFs/EP层合板进行拉伸和弯曲试验,研究了其超低温力学性能,并根据室温和超低温试验后试样的微观和宏观特征,揭示了超低温环境下复合材料力学性能变化机制。结果表明,与室温力学性能相比,单向CFs/EP层合板超低温拉伸强度下降约为9.5%,而拉伸模量上升约为6.2%,主要是由于超低温环境下,树脂的收缩使绝大部分碳纤维与树脂间形成了强界面,拉伸后试样呈"劈裂式"破坏形式,无法使每根纤维都充分发挥其强度,拉伸强度下降,同时超低温也限制了树脂大分子链的运动,所以导致单向CFs/EP层合板拉伸模量上升;单向CFs/EP层合板超低温弯曲强度和弯曲模量分别提高约54.75%和11.64%,这是由于单向CFs/EP层合板的常温和超低温的弯曲破坏形式均为分层剪切破坏,超低温下复合材料的界面增强,提高了单向CFs/EP层合板抵抗剪切分层的能力,进而使CFs/EP的弯曲性能得到提高。     

微胶囊层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的超声导波评价

选用微胶囊作为改性材料,采用热压机层压成型工艺制备出微胶囊层间增韧T300碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料。通过双悬臂梁(DCB)Ⅰ型层间断裂试验评估了CF/EP复合材料的增韧效果。利用超声导波技术对普通CF/EP复合材料和增韧CF/EP复合材料层间力学性能进行评价。通过SEM对CF/EP复合材料层间断面微观形貌进行观察,以揭示微胶囊的增韧机制,同时对超声导波检测结果进行辅助说明。结果表明,微胶囊以团聚形式分布在层间基体中,可以有效提高CF/EP复合材料的层间断裂韧性。微胶囊的填充改变了CF/EP复合材料层间基体特性,增加了导波传播过程中的衰减,导致响应信号峰值降低。同时,团聚的微胶囊改变了CF/EP复合材料对于中心频率125 kHz五峰波激励的振动响应,导致中心频率在信号频谱中的幅值低于普通CF/EP复合材料。      

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%。      

高强高模聚酰亚胺纤维/环氧树脂复合材料力学性能与破坏机制

以高强高模聚酰亚胺（PI）纤维为增强体,以航空级环氧树脂（EP）为基体,通过热熔法制备预浸料并采用热压罐成型技术制备了PI/EP复合材料层合板,对其力学性能和破坏形貌进行了分析。结果表明:高强高模PI纤维与EP具有良好的界面结合力,PI/EP复合材料的层间剪切强度为65.2 MPa,面内剪切强度为68.6 MPa;良好的界面结合状态能充分发挥PI纤维优异的力学性能,PI/EP复合材料的纵向拉伸强度达1 835 MPa,弯曲强度为834 MPa;PI/EP复合材料纵向拉伸破坏模式为散丝爆炸破坏,同时由于高强高模PI纤维还具有优异的韧性和较高的断裂伸长率,PI/EP复合材料从受力到失效断裂的时间较长;PI/EP复合材料纵向压缩破坏模式为45°折曲带破坏。高强高模PI/EP复合材料为航空航天先进复合材料增加了一个全新的选材方案。      

碳纤维复合材料在超临界正丁醇中降解的反应动力学

采用超临界正丁醇在KOH作用下从碳纤维/环氧树脂（CF/EP）复合材料中回收高性能CF。分析了反应温度和反应时间对CF/EP复合材料中EP降解率的影响,研究了回收CF增强聚丙烯（PP）复合材料的力学性能;分析了降解液相产物组分,研究了EP固化体系在超临界正丁醇中的催化降解历程,建立了降解动力学模型,通过解算动力学参数建立了催化降解动力学方程。结果表明:反应温度和反应时间与EP的降解率呈明显的正相关性;与原CF增强PP复合材料相比,回收CF增强PP复合材料的拉伸强度下降9.2%,弯曲强度下降20.9%,弯曲模量下降10.9%,冲击强度下降7.4%;CF/EP复合材料降解反应主要为EP固化体系分子链段中C—C、—O— 等线性链段的断裂以及交联部位C—N的断裂;CF/EP复合材料催化降解的反应级数为2,反应活化能为165.2 kJ·mol-1,指前因子为3.62×1013 min-1,建立的动力学方程可解决反应温度和反应时间不可预估的问题。      

苎麻短纤维层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料

采用热压机层压成型工艺制备了苎麻短纤维(SRF)层间增韧碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料层压板,研究了SRF的长度、面密度及其表面偶联处理对CF/EP复合材料层间断裂韧性的影响,并进一步研究了SRF的铺入对复合材料弯曲、拉伸性能的影响。研究结果表明,层间SRF的铺入明显改善了CF/EP复合材料的I型和II型层间断裂韧性(G_(IC)和G_(IIC)),当表面偶联处理的纤维长度为6mm、面密度为12g·m~(-2)时,增韧效果最佳,GIC由497.48J·m~(-2)增加到667.54J·m~(-2),提高了34.24%;GIIC由508.52J·m~(-2)增加到862.11J·m~(-2),提高了69.54%。此外,铺入SRF对复合材料的弯曲、拉伸性能也有一定程度的提高。通过SEM观察发现,SRF的增韧机制与其层间桥联以及裂纹扩展过程中从基体中拔出与劈裂等现象有关。     

CF/EP composite laminates with carbon black and copper chloride for improved electrical conductivity and interlaminar fracture toughness

An experimental study was conducted to improve the electrical conductivity of continuous carbon fibre/epoxy (CF/EP) composite laminate, with simultaneous improvement in mechanical performance, by incorporating nano-scale carbon black (CB) particles and copper chloride (CC) electrolyte into the epoxy matrix. CF/EP laminates of 65 vol.% of carbon fibres were manufactured using a vacuum-assisted resin infusion (VARI) technique. The effects of CB and the synergy of CB/CC on electrical resistivity, tensile strength and elastic modulus and fracture toughness (K_IC) of the epoxy matrix were experimentally characterised, as well as the transverse tensile modulus and strength, Mode I and Mode II interlaminar fracture toughness of the CF/EP laminates. The results showed that the addition of up to 3.0 wt.% CB in the epoxy matrix, with the assistance of CC, noticeably improved the electrical conductivity of the epoxy and the CF/EP laminates, with mechanical performance also enhanced to a certain extent.     

稀土Ce接枝碳纳米管-碳纤维多尺度增强体对环氧树脂基复合材料界面性能的影响

将马来酰亚胺官能化的多壁碳纳米管(CNTs)和碳纤维(CF)混合并通过CeCl₃处理,得到CNTs-CF多尺度增强体,采用FTIR、XPS、SEM对增强体的表面物理化学状态进行表征;以环氧树脂(EP)为基体,通过模压法制备CNTs-CF/EP复合材料,对其力学性能和断口形貌进行分析,探讨CNTs-CF多尺度增强体对CNTs-CF/EP复合材料界面性能的影响。结果表明:通过Ce的桥接作用,可以将改性后的CNTs化学接枝在CF表面,以同时解决CF与树脂基体间界面结合弱及CNTs不易分散的问题,有效改善了增强体与基体间的界面性能。因此CNTs-CF/EP复合材料的拉伸强度和杨氏模量较CF/EP复合材料分别提高了36.76%和71.57%;较CeCl₃改性CF(RECF)/EP复合材料分别提高了24.79%和52.17%。采用稀土Ce的化学接枝法成功制备出CNTs-CF多尺度增强体,为获得高级轻质树脂基复合材料提供了一种环境友好的新方法。      

碳纤维改性环氧树脂复合材料研究进展

介绍最近几年碳纤维增强环氧树脂复合材料研究的前沿动向,重点叙述了碳纤维表面处理方法以及碳纤维在环氧树脂的应用,综述了环氧树脂/碳纤维复合材料的研究发展。     

Improved fracture toughness and fatigue life of carbon fiber reinforced epoxy composite due to incorporation of rubber nanoparticles

In this study, core–shell rubber (CSR) nanoparticles with approximate particle size of 35 nm were used as a modifier for the epoxy polymer. The effects of various CSR contents in the epoxy matrix on mode I interlaminar fracture toughness, tensile strength, and fatigue life of the carbon fabric reinforced epoxy (CF/EP) composites were investigated. The experimental results showed that the mode I interlaminar fracture toughness at crack initiation and propagation significantly improved by 71.21 and 58.47 %, respectively, when 8.0 wt% CSR was dispersed in the epoxy matrix. The fatigue life of the modified CF/EP composites at all of CSR contents dramatically increased 75–100 times longer than that of the unmodified CF/EP composites at high cycle fatigue while tensile strength slightly increased by about 10 %. Field emission scanning electron microcopy (FESEM) observations of the fracture surfaces were conducted to explain failure mechanisms of CSR addition to the CF/EP composites. The evidences of the rubber nanoparticle debonding, plastic void growth, and microshear banding were credited for delaying the onset of matrix crack, and reducing the crack growth rate, as a result, attributed to increase in the mechanical properties of the CF/EP composites.