单向碳纤维/环氧树脂预浸料叠层的面内变形行为

为了充分了解热隔膜成型过程中预浸料的变形行为，通过偏轴拉伸测试探索了热固性单向碳纤维/环氧树脂预浸料在高温条件下的面内变形机制。研究参数包括试验温度、拉伸速率、预热时间和铺层顺序等。利用数字图像相关技术，在测试过程中监测单向碳纤维/环氧树脂预浸料的变形和纤维的旋转情况。结果表明，提高试验温度或降低拉伸速率均有利于促进单向碳纤维/环氧树脂预浸料的变形。铺层顺序对单向碳纤维/环氧树脂预浸料铺层的变形行为有很大影响，[45/–45/90]_S铺层方式比 [45/90/–45]_S铺层方式更有利于纤维旋转，且[45/–45/90]_S铺层方式变形阻力更小。采用铰链连接网(Pin-joined net, PJN) 理论对单向碳纤维/环氧树脂预浸料铺层变形过程中纤维角度变化进行预测并与实验结果进行对比，结果表明，用PJN理论预测的纤维旋转角度值与测试值存在较大偏差，说明其并不适用于预测热固性单向碳纤维/环氧树脂预浸料变形过程中纤维角的变化。同时，80℃预加热可以提高单向碳纤维/环氧树脂预浸料的变形阻力。      

层间增韧环氧树脂碳纤维单向带的热解特及动力学研究

利用差热-热重同步分析仪研究层间增韧环氧树脂碳纤维单向带的热稳定性,研究在不同升温速率条件下该复合材料的失重温度和失重规律。研究结果表明,随着升温速率的提高,层间增韧环氧树脂碳纤维单向带每个阶段的初始分解温度、反应最终温度及最大失重速率温度均向高温方向移动,热解温度范围逐渐扩大,质量损失明显增加。分别应用微分法和积分法对样品进行热解动力学相关参数计算,计算结果表明,层间增韧环氧树脂碳纤维单向带整体活化能较高,分子间碰撞激烈,热分解反应不易进行,其热稳定性较高。     

模拟雷电流作用下单向碳纤维/环氧树脂预浸料的电阻特性

为探究碳纤维/环氧树脂预浸料在雷电流作用下的电阻特性,采用10/350 μs波形的低峰值模拟雷电流对单向碳纤维/环氧树脂预浸料进行模拟雷击试验,并采用四电极法测量试验前后碳纤维/环氧树脂预浸料的直流（DC）电阻,利用SEM和拉曼光谱对雷击前后碳纤维/环氧树脂预浸料微观形态、物相结构进行表征,系统研究了受雷击后单向碳纤维/环氧树脂预浸料的DC电阻变化的原因。结果表明:单向碳纤维/环氧树脂预浸料DC电阻不随雷电流峰值的增加单调变化,而是呈先减小后增大的趋势,这是碳纤维石墨化、环氧树脂绝缘性能劣化、碳纤维断裂、隧道效应等因素综合作用的结果。      

碳纤维/双马树脂预浸料固化过程动态力学性能

采用动态力学分析法（DMA）对碳纤维/双马树脂预浸料恒温、升温过程中动态力学性能的变化进行了研究, 结合DSC、偏光显微镜确定了碳纤维/双马树脂预浸料的软化、熔融、凝胶、玻璃化转变及反应始终点的表征方法, 考察了预浸料各转变点随升温速率、温度、频率的变化规律以及预浸料的反应规律。结果表明, DMA能很好地表征碳纤维/双马树脂预浸料加热固化中的多种物理化学转变。由于双马树脂基体在180 ℃以上的反应机制与在180 ℃以下的不同, 这2个温度范围内碳纤维/双马树脂预浸料恒温固化终点的反应程度、力学转变率随恒温温度的变化规律不同。      

碳纤维环氧树脂复合材料热响应预报方法EI北大核心CSCD

为研究碳纤维环氧树脂复合材料在火灾环境下的热响应,考虑其在火灾环境下的热解过程,建立非线性热响应方程组,利用有限差分法计算分析单侧热流作用下的材料内部温度-时间历程与炭化规律。结果表明:建立的热响应方程组可以有效预测碳纤维环氧树脂的温度-时间历程,与实验值吻合较好;随着加热时间延长,炭化层范围逐渐扩大,温度趋于稳定,材料温度-深度分布由非线性转变为线性;随着深度增加,碳纤维环氧树脂复合材料温升速率减小,达到热解所需的时间更长,炭化过程变慢,且单位温度的密度变化量峰值随深度增加向低温方向移动;热解反应区中不同深度位置的材料剩余质量分数在同一温度下不同,深度越大剩余质量分数越小,炭化程度越高。     

碳纤维环氧树脂复合材料热响应预报方法

为研究碳纤维环氧树脂复合材料在火灾环境下的热响应,考虑其在火灾环境下的热解过程,建立非线性热响应方程组,利用有限差分法计算分析单侧热流作用下的材料内部温度-时间历程与炭化规律。结果表明:建立的热响应方程组可以有效预测碳纤维环氧树脂的温度-时间历程,与实验值吻合较好;随着加热时间延长,炭化层范围逐渐扩大,温度趋于稳定,材料温度-深度分布由非线性转变为线性;随着深度增加,碳纤维环氧树脂复合材料温升速率减小,达到热解所需的时间更长,炭化过程变慢,且单位温度的密度变化量峰值随深度增加向低温方向移动;热解反应区中不同深度位置的材料剩余质量分数在同一温度下不同,深度越大剩余质量分数越小,炭化程度越高。     

典型碳纤维编织布的热解动力学

使用DTG-60(AH)热重-差热同步分析仪研究了升温速率对典型碳纤维编织布(T300-3000)热解特性的影响。结果表明,升温速率对典型碳纤维编织布的热解过程有显著的影响。随着升温速率的提高最大失重速率温度向高温方向移动,两峰之间的距离逐渐增大,峰面积不断增加。碳纤维编织布的热解分可为三个阶段:环氧树脂基两个分解阶段和碳纤维分解阶段。用Kissinger法和Flynn-Wall-Ozawa法进行热解动力学分析,得到了不同升温速率条件下的表观活化能和表观指前因子。用两种计算方法得到的结果基本上一致,加入环氧树脂基材的碳纤维编织布在一定质量损失范围内的热稳定性较强且可控。     

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。      

玻璃纤维/环氧树脂复合材料热解特性研究

采用热重-差热分析仪研究玻璃纤维/环氧树脂复合材料在空气及氮气氛围下不同升温速率的热解特性规律。结果表明,在空气气氛下,热解分为两个阶段;氮气气氛下,热解只存在一个热分解阶段,与空气气氛相比热解初始分解温度较高,热解温度范围变窄,失重速率明显变大。在两种气氛下,玻璃纤维均不参与热解。随着升温速率的增加,热解反应各阶段的起始温度、终止温度、最大失重速率温度均向高温方向移动,热解温度范围大小都基本保持不变。氮气气氛下使用Kissinger法、FWO法和Starink法计算出玻璃纤维环氧树脂的平均表观活化能分别为106.42、123.09和119.48kJ/mol。复合材料活化能随转化率的增加而升高,表观活化能保持在一定数值范围内且数值相近,热解反应比较稳定,具有较低A值,表明其具有较强的热稳定性。     

碳纤维/环氧树脂预浸带铺放应力场及制品微观结构的模拟与实验

碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料在铺放成型时,由于树脂基体与碳纤维之间的热膨胀系数存在差异以及成型时热-力参数作用下由于纤维的变形而导致纤维与基体接触处产生应力集中等原因,在制品材料中会产生热残余应力。针对碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料的实际结构特点,利用ABAQUS有限元软件建立含有界面的碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料的细观代表性体积单元(Representative volume element, RVE)有限元模型,采用实验研究和有限元仿真分析的方法,研究在温度-压力参数作用下预浸带铺放制品残余应力的分布规律及影响机理。首先,建立预浸带铺放时的温度和压力模型,研究不同温度和压力参数条件下碳纤维/环氧树脂预浸带铺放制品残余应力的分布情况。其次,采用耦合降温法模拟碳纤维/环氧树脂预浸带残余应力随纤维体积含量、铺放压力以及铺放温度的变化规律,并采用扫描电镜对不同工艺参数条件下预浸带铺放制品的微观结构进行分析。通过对模拟结果进行分析比较得到各因素对制品残余应力的基本影响规律;最后进行不同温度和压力等铺放参数对预浸带铺放成型时残余应力影响的实验测试研究。      

玻璃纤维/环氧树脂泡沫夹层板的热解动力学

使用DTG-60(AH)热重分析仪分析了玻璃纤维/环氧树脂泡沫夹层板在不同升温速率和不同氧含量条件下的热分解特性。结果表明,在空气中玻璃纤维/环氧树脂泡沫夹层板的热分解反应可分为三个阶段。随着升温速率的提高,热分解反应的初始反应温度、终止反应温度以及最大质量损失速率温度均向高温方向移动。氧含量的降低对热分解的第三阶段有较大的影响。采用Flynn-Wall-Ozawa法和Starink法进行热解动力学分析,得到玻璃纤维/环氧树脂泡沫夹层板的表观活化能。     

A new unidirectional carbon fiber prepreg using physically modified epoxy matrix with cellulose nano fibers and spread tows

A new unidirectional carbon fiber prepreg was successfully developed, whose epoxy matrix was physically modified with cellulose nano fibers (CNF). Two different types of prepreg were fabricated using regular carbon fiber (CF) and spread CF tows to identify the effect of prepreg thickness on the mechanical performance including fatigue of quasi isotropic laminates using these prepregs while the thickness of each layer was kept the same (120 μm). The effect of CNF modification of epoxy matrix on the fatigue life is quite significant if thin prepregs were used. It increases greater than 10 times than the fatigue lives of laminates fabricated by regular CF tows/unmodified EP or regular CF tows/modified EP. Uniformly dispersed CNF in the epoxy matrix increases the interfacial strength between CF and matrix.     

基于锥形量热法的典型碳纤维/环氧复合材料燃烧特性

采用锥形量热仪实验研究环氧树脂基体、T300碳纤维/环氧复合材料及T300碳纤维/环氧-泡沫层合板(上下层为T300碳纤维/环氧复合材料,中间层为4mm厚的Divinycell H60泡沫芯材)在不同火灾环境下的燃烧性能。对比分析其点燃时间、热释放速率、总烟气释放量和CO生成速率等燃烧特性参数的变化规律。利用SEM测试T300碳纤维/环氧复合材料燃烧前、后表面形貌图像和环氧树脂基体和T300碳纤维/环氧复合材料燃烧形成炭层的形貌图像,分析碳纤维在碳纤维/环氧复合材料热解、燃烧过程中的影响作用。结果表明,随热辐射强度的增加,三种实验样品的平均点燃时间均缩短,热释放速率峰值和300s内热释放速率均值均增大,峰值出现时间提前,燃烧后残余率均降低。碳纤维对环氧树脂热解和燃烧起到抑制作用,其点燃、放热及达到热释放速率峰值的时间延后,T300碳纤维/环氧-泡沫层合板中泡沫芯材的燃点较低,使其平均点燃时间、热释放速率峰值出现时间及CO开始释放时间提前。T300碳纤维/环氧复合材料和T300碳纤维/环氧-泡沫层合板燃烧后均出现明显的分层现象,力学性能丧失,整体结构被破坏。碳纤维的存在能够有效抑制碳纤维/环氧复合材料的热解及燃烧,并能有效抑制在燃烧过程中产生融滴、喷溅和大量黑烟。     

预浸料先进拉挤成型的固化传热过程数值模拟

对M21C碳纤维/环氧树脂复合材料预浸料在先进拉挤成型过程中的温度与固化度曲线进行了研究。使用DSC测得M21C预浸料在升温与恒温状态下的固化反应动力学方程,用于树脂固化反应的计算。基于有限元软件,结合有限差分法与体积控制法编写脚本解决热传导与树脂固化反应的计算,从而得到温度与固化度曲线,并在先进拉挤生产中测得实际的温度与固化度曲线,结果表明计算与实测曲线基本吻合,因此验证了算法的可行性。改变先进拉挤的工艺参数（加热温度区间、拉挤速度）再进行模拟计算,通过计算结果优化工艺参数,得到帽形梁先进拉挤三区间加热的理想工艺参数:模具加热温度区间为160-180-200℃;拉挤速度为1 cm/60 s。      

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。      

碳纤维导电复合材料的电学性能研究

研究了FR－4溴化环氧树脂玻璃布和碳纤维导电纸层压复合面状发热板的电学性能,结果表明：溴化环氧树脂固化过程对其电性能产生影响,对于不同规格的导电纸,其电阻下降率不同。面状发热板的电阻在升温和降温过程中存在不同程度的偏离,呈现PTC或NTC效应,数次热循环后,可以使室温电阻保持恒定。发热板的电阻随通电时间的延长而逐渐下降并趋于稳定,通断电次数对基电阻影响不大,在长期通电使用下能保持其功能稳定性,发热板的功率密度与表面温度呈现良好的线性关系。