芳纶纤维与树脂基体改性对复合材料剪切性能的影响

芳纶纤维表面惰性会影响其与树脂间的浸润性能和界面结合强度,因此限制了芳纶纤维复合材料在航空、航天、输电等领域的应用。为了对比纤维表面改性和树脂基体改性技术对芳纶纤维复合材料层间剪切性能的影响,文中结合光学和力学测试方法对不同改性技术及处理过程对芳纶纤维表面刻蚀的影响机制开展了深入研究。结果表明,乙酸酐化学刻蚀会对芳纶纤维表面基团产生影响且增加表面粗糙度。热氧化刻蚀处理后表面粗糙度显著增加,具有明显“沟壑”状。然而,当乙酸酐化学刻蚀处理时间高于6 h、热氧化刻蚀处理时间高于4 min时,纤维内部结构就会受到损伤,导致复合材料层间剪切性能降低。超声浸渍改性处理后,纤维表面粗糙度有一定增加,纤维表面附着的气体将会排出,超过20 min后改性效果趋于稳定。使用偶联剂改性树脂基体可以增加纤维表面的键合作用,当添加量超过3%时,树脂分子间的过度交联导致复合材料层间剪切性能下降。研究结果为提高芳纶复合材料浸润性能和界面强度提供了理论依据,对航空航天、电力系统中芳纶复合材料设计及制造研究具有参考价值。     

芳纶纳米纤维强化浸渍处理芳纶纤维及其橡胶复合材料的界面黏合性能

为进一步提高芳纶纤维/橡胶复合材料的界面黏合性能,在传统“二浴”法浸渍间苯二酚-甲醛-胶乳(RFL)的基础上,分别在预处理液、RFL浸胶液中加入芳纶纳米纤维(ANF),研究ANF的添加工艺和用量对芳纶纤维/橡胶复合材料界面黏合性能的影响。结果表明,在预处理液中仅添加0.05wt%ANF, H抽出力为209.0 N,剥离力为19.8 N/根,动态黏合疲劳寿命9 829次,比未增强体系分别提高18.1%、14.4%和41.0%;在RFL浸胶液中添加0.15wt%ANF,H抽出力为206.5 N,剥离力为20.1 N/根,动态黏合疲劳寿命8 095次,比未增强体系分别提高15.9%、16.1%和16.1%。在预处理体系中添加ANF可更有效地提高动态黏合性能,原因在于ANF与芳纶纤维、预处理液中的异氰酸酯之间产生良好的化学作用,有利于界面处模量过渡,提高应力传递效率。     

芳纶纤维复合材料界面粘结性能研究

为了改善芳纶纤维复合材料的界面粘结性能,从自制树脂基体入手,针对芳纶纤维的结构特点,合成了一种新型树脂(AFR)作为基体,制备了芳纶/AFR复合材料.通过宏观力学、微观力学以及接触角测试等方法研究了AFR树脂与芳纶纤维之间的界面粘结性能.结果表明:AFR树脂对芳纶纤维的浸润性好,单丝拔出强度高,复合材料的横向拉伸强度及层间剪切强度高,这说明芳纶纤维与AFR树脂之间具有良好的界面粘结性能.     

芳纶纤维表面分析及其对双马来酰亚胺树脂复合材料界面性能的影响

采用反气相色谱和扫描电子显微镜测试分析了芳纶纤维的表面性能,结果发现K1和K2两种芳纶纤维的表面均比较光滑,总表面能基本相当,但极性表面能和色散表面能分量存在较大差异.层间剪切强度测试表明K2/5405复合材料的界面强度高于K1/5405复合材料,断口形貌分别呈现出不同的基体破坏和界面破坏模式.利用Good-Girifalco相互作用参数分析纤维和树脂的表面能与复合材料界面性能的关系,结果发现复合材料中两相间的相互作用参数增大,匹配性提高,界面性能亦有所提高.     

芳纶纤维／环氧树脂微复合材料的界面断裂

本文采用空气冷等离子体改性Ｋｅｖｌａｒ－４９表面。通过单丝拔出实验研究表明经过纤维表面改性改善了芳纶纤维／环氧树脂的界面结合情况；芳纶纤维／环氧树脂微复合材料￣ａ）的破坏有两种类型：破坏发生在界面和纤维的内聚破坏。     

芳纶纤维／环氧树脂微复合材料的界面断裂

本文采用空气冷等离子体改性Ｋｅｖｌａｒ－４９表面。通过单丝拔出实验研究表明经过纤维表面改性改善了芳纶，纤维／氧化树脂的界面结合情况，芳纶纤维／环氧树脂微复合材料的破坏有两种类型，破坏发生在界面和纤维的内聚破坏。     

碳纤维和芳纶纤维及其复合材料

近十年来,碳纤维(CF)和芳纶纤维(KF)的经济地位有了明显的提高,消耗量有较大的增长,其原因可以归结为以下几个方面:首先,航空和航天等尖端技术对复合材料,特别是对高级复合材料的需求所起的刺激作用。这在1973～1974和1978～1979年的能源危机之后表现得尤为强烈。第二,国际上对高质量运动用品的需求使先进复合材     

芳纶纤维表面改性及其对芳纶/橡胶复合材料黏合性能的影响

以原位乳液聚合方法合成水性聚氨酯预聚体（WPUP）包覆纳米ZnO粒子（ZnO@WPUP）,将KOH预处理后的芳纶纤维浸渍在改性ZnO乳液中进行二次处理,进一步与天然橡胶硫化,得到ZnO@WPUP改性芳纶/橡胶复合材料,并通过FTIR、SEM和H抽出实验等测试分析ZnO@WPUP对芳纶/橡胶复合材料黏合性能的影响。结果表明：WPUP能有效提高ZnO分散性,随着WPUP含量增加,ZnO@WPUP在芳纶纤维表面分散更加均匀,纤维表面粗糙度增大,改善了芳纶纤维表面橡胶的黏附量,从而大幅度提高芳纶/橡胶复合材料的黏结强度。     

白炭黑补强环氧化溶聚丁苯橡胶

为探究环氧化对白炭黑(SiO₂粒子)在溶聚丁苯橡胶(SSBR)基体中分散性的作用,首先,以SSBR和环氧化溶聚丁苯橡胶(ESSBR)为基体,白炭黑为补强填料,分别制备了SiO₂/SSBR、SiO₂/ESSBR混炼胶和硫化胶;然后,采用FTIR、SEM和其他测试方法研究了材料的结构、形貌、硫化特性、耐磨性能、准静态力学性能和动态力学性能。结果表明:随环氧度从0增大到14.73%,生胶的门尼黏度增大。ESSBR分子链中的环氧基团与SiO₂粒子表面的硅羟基反应形成稳定的化学键,抑制SiO₂粒子团聚,促进其均匀分散;当环氧度为6.87%时, SiO₂粒子在ESSBR中的分散性最好。随环氧度增大, SiO₂/ESSBR硫化胶的拉伸强度先增大后减小、耐磨性能先增强后减弱、断裂伸长率降低、100%和300%定伸强度增大、玻璃化转变温度升高、0℃时的损耗因子显著增大、抗湿滑性增强、60℃时的损耗因子略有增加且滚动阻力增大。因此, SSBR硫化胶经环氧化改性后综合性能提高,当其环氧度在6.87%~8.51%范围内时, SiO₂/ESSBR硫化胶的综合性能最优。      

碳纤维/硅橡胶导电复合材料的温度响应

通过升温-降温循环及升温-恒温两种方式研究了碳纤维/硅橡胶导电复合材料试样的温度响应,通过碳纤维导电复合材料的导电机理对测试结果进行了分析。该导电复合材料具有正温度系数,并具有温度弛豫现象。橡胶材料与碳纤维材料热膨胀系数的不同是造成其电阻温度响应的主要原因;而温度变化对电子能量的影响也是造成材料温度响应的原因之一。     

芳纶纤维/浆粕表面能及其复合纸性能

测定了几种间位芳纶短纤维、芳纶纯浆粕及其复合纸的表面接触角,结合倒数平均调和方程计算了芳纶纤维及复合纸的表面能。通过芳纶纸中纤维与浆粕界面张力及粘附功的计算,分析芳纶纤维及浆粕的表面能与其复合纸性能的关系。结果表明:采用水和乙二醇作为接触角测试液体时,芳纶纤维及浆粕的表面能为35～45 mJ·m-2。其中,芳纶短纤维表面能稍高于芳纶浆粕,芳纶短纤维及浆粕的极性分量大于色散分量,表面能越高越利于增强表面可润湿性,粘附功越大。热压导致芳纶复合纸表面能下降,相对于Nomex纸,自制芳纶复合纸的表面能降低得更明显。芳纶短纤维与浆粕的色散分量和极性分量越匹配,表面能之差及界面张力越小,则芳纶复合纸中纤维之间的粘接力越强,抗张指数也越高。      

改性芳纶纤维增强木粉/高密度聚乙烯复合材料的力学性能

采用螺杆挤出机研究了添加连续芳纶纤维增强木粉/高密度聚乙烯（CAF-WF/HDPE）复合材料,为改善CAF与WF/HDPE复合材料界面相容性,分别采用磷酸和硅烷偶联剂处理纤维。对比表面处理前后的CAF形态分析显示,经过处理的CAF表面粗糙度增加;采用磷酸和硅烷偶联剂处理,纤维束从基体中的拔出强度分别提高了94.9%和77.6%,表明处理后的CAF与WF/HDPE复合材料的界面结合强度有所提高。对比WF/HDPE复合材料,在挤出成型过程中加入未处理CAF,CAF-WF/HDPE复合材料拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别提高了32.1%、35.1%、515.1%;CAF采用硅烷偶联剂处理后,CAF-WF/HDPE复合材料对应的力学性能分别提高了42.0%、37.4%、550.2%。动态力学分析表明:表面处理后CAF与WF/HDPE复合材料的界面相容性得到改善。      

芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维制备工程用纤维/水泥复合材料的适用性

研究了两种高强合成纤维在工程用纤维/水泥复合材料制备过程中的适用性,其中,芳纶纤维的表面为亲水性,超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维的表面为憎水性。研究结果表明:工程用芳纶纤维/水泥复合材料拉伸破坏过程中无应变硬化能力且表现为单裂纹破坏现象;工程用UHMWPE纤维/水泥复合材料拉伸破坏过程中表现出良好的应变硬化能力和多裂纹开裂特性。因此,两种纤维相比,UHMWPE纤维适宜于工程用纤维/水泥复合材料的制备。随着水胶比的降低,工程用UHMWPE纤维/水泥复合材料抗拉强度增大,但应变硬化能力降低,因此,在制备工程用UHMWPE纤维/水泥复合材料的过程中,应协调纤维抗拉强度和基体与纤维之间界面过渡区的品质。      

改性淀粉/丁苯橡胶复合材料的制备及性能研究

采用固相法制备了玉米淀粉接枝马来酸酐(MAH)和苯乙烯(St)的共聚物Starch-g-MAH-St(SMS)。采用机械共混法制备了接枝改性淀粉/丁苯橡胶(SMS/SBR)复合材料,研究了复合材料的力学性能、热空气老化性能、动态力学性能以及微观形态。结果表明,SMS/SBR复合材料的力学性能优于未改性淀粉/SBR复合材料和纯SBR。当苯乙烯和MAH单体用量都为原淀粉质量的10 %且SMS的用量为20 g/100 g SBR时,SMS/SBR复合材料的力学性能最佳。经100℃ 热空气老化48 h后,复合材料的拉伸强度仍可达10 MPa。与纯 SBR硫化胶相比,SMS/SBR复合材料的玻璃化转变温度(T_g)降低。微观形态分析显示,淀粉经改性后粒子尺寸减小,在SBR 中的分散性得到了改善,与SBR基体的相容性得到了提高。      

混杂比对碳/芳纶纤维混杂纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料力学性能的影响

利用层内混杂的方式制备碳/芳纶纤维混杂纬编双轴向多层衬纱织物,通过对材料进行拉伸、三点弯曲等实验研究该织物增强复合材料的力学性能及混杂比对其力学性能的影响。结果表明,按照一定的混杂比加入芳纶纤维后复合材料的拉伸性能提高,表现出积极的混杂效应。由于延伸性好的芳纶纤维的加入,使复合材料的拉伸断裂伸长率明显提高,材料破坏模式出现了完全脆性断裂模式(C12材料破坏形式)和“扫帚”形纤维断裂模式(C8A4,C6A6材料破坏形式)。此外,按照一定的混杂比加入芳纶纤维也有效改善了碳纤维增强复合材料的破坏韧性,碳/芳纶纤维混杂MBWK织物增强复合材料的弯曲强度和弯曲模量随混杂比的提高而呈下降趋势,当复合材料中芳纶含量从42%(体积分数,下同)(C6A6)到59.2%(C4A8)的变化过程中,弯曲强度和弯曲模量的降低率较高。0°试样在混杂比为59.2%(C4A8)时,弯曲挠度最大,达到7.49 mm,远高于纯芳纶纤维或纯碳纤维增强的复合材料。所有90°混杂复合材料试样的弯曲挠度均高于纯芳纶纤维或纯碳纤维增强的复合材料,表现出积极的混杂效应。     

基于超细晶硬质合金钻头的AFRP钻削性能

采用超细晶硬质合金钻头开展了芳纶纤维增强树脂基复合材料(Aramid Fiber Reinforce Polymer Composites,AFRP)的钻削实验,从钻削力、钻削温度、制孔质量、刀具磨损等方面对比分析了超细晶硬质合金钻头与普通硬质合金钻头的钻削性能。实验结果表明:芳纶纤维增强树脂基复合材料钻削过程中,钻削力随进给速度的增大而增大,随主轴转速的增大而减小,超细晶硬质合金钻头的钻削力比普通硬质合金钻头降低了40.6%以上;钻削温度随进给速度的增大而减小,随主轴转速的增大而增大,相对普通硬质合金钻头,采用超细晶硬质合金钻头的钻削温度降低了47~85℃;超细晶硬质合金钻头钻削产生的拉毛和热损伤明显少于普通硬质合金钻头;经过长时间的钻削,普通硬质合金钻头的橫刃和主切削刃出现了崩刃,后刀面出现了严重的磨料磨损;而超细晶硬质合金钻头由于高硬度和高耐磨性等特性,刀具的磨损相对较小,适合于芳纶纤维增强树脂基复合材料的高效低损伤加工。     

纳米石墨片-羧基丁腈橡胶复合材料结构形态与电性能

利用电子束辐照法制备纳米石墨片(GnPs)-羧基丁腈橡胶(XNBR)复合材料,研究辐射剂量对胶乳共混体系稳定性的影响,并对GnPs-XNBR复合材料的交联度、热稳定性、电性能及其形貌予以表征。结果表明:辐照后GnPs-XNBR复合材料的交联度、热稳定性和体积电阻率提高,而共混乳液的稳定性显著降低。辐照强化了乳胶粒子与石墨片之间的界面结合,形成胶乳粒子包覆石墨片的核-壳结构,进而提高石墨片在基体中分散均匀性,并使GnPs-XNBR复合材料的热稳定性和介电常数提高,导电性和介电损耗降低。     

滑动接枝共聚物/丁腈橡胶复合材料及其阻尼性能

将丁腈橡胶（NBR）与预硫化滑动接枝共聚物（SGC）混合制备SGC/NBR复合材料,并采用DSC、橡胶加工分析仪（RPA）、TEM和FTIR等研究了预硫化温度对复合材料内部结构及动态力学性能的影响。结果表明:SGC作为分散相在NBR基体中形成了海岛结构,且与NBR 大分子之间形成了分子间氢键,使两相相容性较好并形成了明显的界面作用区。界面作用区的存在使SGC/NBR复合材料的玻璃化转变温度与纯NBR基体相比升高,同时使复合材料的拉伸强度和拉断伸长率等力学性能显著增强,并出现了明显的拉伸取向。由于SGC与NBR之间分子链的扩散以及氢键作用,使分子链σ单键的内旋转受阻,旋转时需要消耗能量以克服所受的阻力,造成SGC/NBR复合材料的损耗因子明显增加,其中预硫化温度为160℃时阻尼效果最好。SGC/NBR复合材料在建筑桥梁振动频率应变变形范围内表现出优异的损耗性能,可应用于高阻尼隔震支座。