快速固化环氧树脂及其碳纤维/环氧复合材料性能

采用双酚A型环氧树脂（DGEBA）、改性咪唑（MIM）及改性脂肪胺（MAA）研制快速固化树脂体系。分别利用DSC和流变仪测试了树脂体系的固化特性与流变行为,优选了树脂配方。采用真空辅助树脂灌注工艺（VARIM）制备了快速成型的碳纤维/环氧复合材料层板,考察了层板的成型质量和力学性能,并与常规固化的层板性能进行了对比。结果表明：采用优选的树脂配方,120 ℃下树脂在5 min内固化度达95%,碳纤维/环氧复合材料层板成型固化时间可控制在13 min以内,固化度达95%以上,并且没有明显缺陷;与常规固化相比（固化时间大于2 h）,快速固化碳纤维/环氧复合材料层板的弯曲性能和耐热性能降低幅度较小。     

RTM用苯并(恶)嗪树脂基碳纤维复合材料的性能研究

针对RTM成型工艺对基体树脂的特殊要求,结合MA型苯并(噁)嗪树脂耐烧蚀、高性能的特点,对制造高强度苯并(噁)嗪树脂基碳纤维复合材料进行了研究.系统考察了基体树脂体系的工艺性能、固化反应行为以及力学性能.结果表明:该树脂体系在95～115℃温度区间内至少有350min的低黏度(≤500mPa·s)时间作为工艺开放期,符合RTM成型工艺要求;树脂体系的玻璃化转变温度在223℃;RTM苯并(噁)嗪树脂基碳纤维复合材料的空隙含量仅为0.23％,树脂浇铸体和碳纤维复合材料的常规力学性能优异.MA型苯并(噁)嗪树脂完全可以采用RTM工艺成型高性能复合材料.     

一种氰酸酯-环氧树脂作为卫星结构件复合材料基体的评价

制备了氰酸酯树脂质量分数为75%的氰酸酯-环氧树脂（CE75）及高模碳纤维增强CE75（CF/CE75）的复合材料,研究了该树脂的工艺性,确定了其固化制度,考察了树脂的耐热性和力学性能,并在模拟空间环境条件下,考察了高模CF/CE75复合材料管件的力学性能和真空逸气性能。试验结果表明,CE75树脂具有良好的工艺性,适合湿法缠绕成型工艺。CE75树脂固化物表现出良好的耐热性,其玻璃化转变温度为195.6℃,起始热分解温度为368.6℃。高模CF/CE75复合材料抗空间环境性能优异,在真空环境下,复合材料真空逸气性能满足航天标准要求,经冷热循环（-196~130℃）200次后,管件力学性能保持率大于96%。高模CF/CE75复合材料是抗空间环境材料的理想候选材料。     

超声振动对快速固化环氧树脂体系固化动力学特性的影响

通过非等温差示扫描量热法,结合黏度测试和傅里叶红外光谱分析,研究了不同超声波振动条件下环氧树脂体系的固化特性。基于Flynn-Wall-Ozawa/FWO、Kissinger-Akahira-Sunose/KAS和Boswell积分型动力学模型,计算了不同超声波振动下环氧树脂体系的活化能。结合Malek最大概然函数法,得到了超声振动下树脂体系的固化反应动力学方程,并与实测固化度对比进行了验证。研究表明,超声振动振幅越大,树脂体系黏度降低越明显,较小的超声波振幅振动下树脂体系活化能增大,而振幅增大后活化能有明显的降低。固化物的红外光谱分析表明,随着超声振幅的增大,羟基吸收峰减弱,表明超声效应加速了胺基加成反应或者羟基醚化反应。超声振动条件下的树脂固化反应模型符合自催化模型形式,但超声振动并不能改变树脂体系的固化反应机制。以上研究结果对设计和优化碳纤维增强树脂复合材料超声振动辅助树脂传递模塑成型(RTM)工艺具有一定的指导意义。     

603环氧树脂体系固化动力学模型的建立与验证

采用非等温差示扫描量热法（DSC）研究了603热塑增韧环氧树脂体系的固化反应动力学。研究发现,在低升温速率测试条件下603环氧树脂体系固化反应的DSC曲线有两个重叠的放热峰,通过分离两个重叠的放热峰,研究了603环氧树脂体系固化动力学的特性。利用Kissinger方法和Kamal方程分别拟合得到603树脂体系固化反应的活化能和固化动力学参数,选择三种典型固化工艺制度下预测的树脂固化反应结果与实验数据对比,验证了所建立动力学模型的可靠性。基于不同升温速率的放热曲线,通过外推法得出该树脂占总反应比例70%的第一个反应固化温度为（177.3±2.2）℃,占总反应比例30%的第二个反应的起始温度和固化温度分别为（178.6±0.7）℃和（216.9±1.7）℃。研究结果对于多组分热固性树脂体系固化动力学的分析和复合材料成型工艺的优化具有重要的指导意义。     

碳纤维复合材料发动机壳体用韧性环氧树脂基体的研究

在综合考虑粘度-力学性能-耐热性能的基础上,开发了一种适用于碳纤维复合材料固体火箭发动机壳体湿法缠绕成型的韧性环氧树脂基体。用DSC,FT-IR等分析手段对该树脂基体的固化反应动力学参数、树脂基体固化物性能和复合材料性能进行了系统研究。结果表明,该树脂基体粘度小、适用期长、韧性高,与碳纤维界面粘接好,所制得的复合材料壳体纤维强度转化率高。     

YPH-23环氧树脂/预浸料的等温固化动力学研究

针对预浸料碳纤维树脂基复合材料成型的特点,采用差示扫描量热法(DSC)研究了碳纤维/YPH-23环氧树脂预浸料的DSC曲线,并与纯树脂的DSC曲线进行对比分析。研究结果表明:预浸料的DSC曲线与纯树脂存在差异;预浸料在130~160℃范围内的固化反应符合自催化固化反应模型,固化反应活化能为45.560kJ/mol;预浸料的动力学研究结果更能反映实际复合材料制造成型过程中的特征,可为实际复合材料的成型工艺优化提供参考。     

双酚A型环氧树脂/催化型固化剂体系的粘度模型

研究了催化型固化剂用量对双酚A型环氧树脂体系粘度变化的影响规律。根据对树脂固化特性和等温粘度曲线的分析,建立了树脂体系的工程粘度模型。该模型能够有效地预测体系的粘度-时间-温度关系,反映了固化剂用量对固化过程中体系粘度变化的影响规律,为复合材料成型工艺模拟分析及工艺参数的准确制定奠定了基础。      

一种RTM 用苯并噁嗪树脂的工艺性及其复合材料性能

制备了一种可用于树脂传递模塑( RTM) 工艺的高性能苯并噁嗪共混树脂体系( BA21) 。研究了BA21 的注射工艺性, 确定了其固化程序, 并考察了采用RTM 工艺制备的BA21 基复合材料的基本力学性能。升温及恒温黏度测试结果表明, BA21 树脂体系能够用于RTM 工艺。依据修正的双阿累尼乌斯方程建立了与实验数据较为吻合的化学流变模型, 利用该模型可以选择合适的注射温度。通过不同温度下的恒温DSC 测试及修正的Kamal 动力学模型计算得到BA21 树脂体系的固化反应级数, 并确定后固化温度为200 ℃。采用RTM 工艺制得的玻璃纤维/ BA21 复合材料表现出优异的力学性能, 弯曲强度达600 MPa , 弯曲模量达30 GPa , 冲击强度达210 kJ/ m2 。      

碳纤维增强羟基磷灰石/环氧树脂复合材料的制备与力学性能

采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备了碳纤维增强环氧树脂以及碳纤维增强羟基磷灰石(HA)/环氧树脂两种复合材料，并测试了其力学性能。结果表明，RTM工艺可以基本保证环氧基体均匀浸入碳纤维织物内部。碳纤维增强HA，环氧复合材料的冲击韧性高于碳纤维增强环氧复合材料，而弯曲强度和弯曲模量低于碳纤维增强环氧复合材料。两种复合材料的弯曲强度远高于人体皮质骨，弯曲模量与皮质骨非常接近。动态力学分析(DMA)表明加入HA后，复合材料的贮存模量和内耗降低，玻璃化转变温度升高。     

基于微波固化工艺的碳纤维T800/环氧树脂复合材料固化反应动力学

针对微波固化工艺下的碳纤维（T800）/环氧树脂复合材料的固化反应行为,运用非等温差示扫描量热（DSC）法,研究了T800/环氧树脂复合材料的固化反应放热过程。基于Kamal动力学模型,采用粒子群全局优化算法,拟合得到了纯微波固化工艺及高压微波固化工艺的T800/环氧树脂复合材料固化反应动力学方程,通过实验验证,该方程能够很好地描述T800/环氧树脂复合材料微波固化反应动力学行为。并系统对比研究了不同固化工艺方法对T800/环氧树脂复合材料固化反应动力学的影响。结果表明：相比传统热固化工艺,微波固化工艺能够有效提高T800/环氧树脂复合材料的固化反应速率并降低其固化反应的活化能,同时固化压力的引入对T800/环氧树脂复合材料的固化反应有一定的促进作用。     

激光改性纤维对其增强环氧树脂复合材料力学性能的影响

利用激光对玻璃纤维、玄武岩纤维和碳纤维进行表面改性后,以环氧树脂为基体,分别制备三种纤维增强环氧树脂复合材料。利用SEM和万能试验机对表面改性前后的碳纤维形态、力学性能及三种纤维/环氧树脂复合材料的力学性能和断面形貌进行表征,研究了纤维激光表面改性对三种纤维及其增强环氧树脂复合材料力学性能的影响。结果表明:激光表面改性对碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能提升最高,其拉伸强度最大提高了77.06%,冲击强度最大提高了31.25%,玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的力学性能提升次之,而玻璃纤维/环氧树脂复合材料的力学性能有所下降。因此,激光进行表面改性适用于碳纤维和玄武岩纤维。     

三维编织超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维/环氧树脂混杂复合材料力学行为及混杂效应

采用复合处理工艺对三维混杂超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维编织体进行表面处理, 通过RTM工艺制备了环氧树脂基混杂复合材料（UHMWPE/CF/ER）, 并研究了其力学性能及混杂效应。结果表明, 在纤维总体积分数一定的情况下, 随着超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维混杂比的减小, 复合材料的弯曲强度、 弯曲模量及压缩强度增大, 而其纵向剪切强度及冲击韧性降低。三维编织混杂复合材料的断裂机制由混杂纤维的混杂比及其性质决定, 通过调节混杂比可实现对复合材料力学性能的有效调控。      

高刚度环氧树脂与高模碳纤维的界面相容和性能匹配

自行开发了一种高刚度环氧树脂（5182树脂）,研究了5182树脂的增刚机制、耐热性能和力学性能。结果表明,原位生成的酰亚胺刚性链段及增加的多交联位点提高了5182树脂交联网络的刚性,其玻璃化转变温度达228℃,拉伸模量达到4 375 MPa。采用高刚度5182树脂制备了国产BHM3和东丽M40J高模碳纤维增强高刚度环氧树脂复合材料,考察了高模碳纤维/高刚度环氧树脂单丝复合材料的界面黏结性能和断面微观形貌,并评价了高模碳纤维/高刚度环氧树脂单向复合材料的宏观力学性能。结果表明,由于树脂模量的提高及界面破坏区域由碳纤维表面转移到环氧树脂区,高模碳纤维/高刚度环氧树脂复合材料的界面剪切强度最高达106.8 MPa,宏观力学性能优异,尤其弯曲性能和层间剪切强度大幅提高。      

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。     

三维编织碳复合材料的制备及其力学性能研究

采用真空辅助RTM工艺制备了三维编织碳纤维增强环氧树脂(C3D/EP)复合材料,通过对树脂的粘度特性和固化特性的分析,确定了最佳的工艺参数.金相显微镜对复合材料微观结构的观察表明树脂对纤维的浸润良好.同时,还研究了该工艺制备的C3D/EP复合材料的力学性能,结果表明随着纤维体积比的增加,复合材料的硬度、弯曲强度和冲击强度均提高,断口的扫描电镜观察表明复合材料的破坏方式是以脆性断裂为主.     

T700碳纤维增强环氧树脂基复合材料自然老化性能与机制

为验证复合材料的耐久性,对T700碳纤维增强环氧树脂基复合材料经自然老化后的微观形貌、表面元素含量、热性能与力学性能等进行了研究。结果表明: 在光氧老化与热氧老化的共同作用下,T700碳纤维增强EP-A环氧树脂基（T700/EP-A）复合材料表层树脂将发生老化降解,并且随自然老化时间的延长,T700/EP-A复合材料的玻璃化转变温度逐渐降低,未老化试样的玻璃化转变温度为207℃,经过自然老化处理3年后,其玻璃化转变温度降低为180℃,延长自然老化时间至5年时,其玻璃化转变温度进一步降低至172℃。而自然老化过程对复合材料力学性能可能同时存在着增强效应与损伤效应,因此造成了T700/EP-A与T700/EP-B复合材料的不同力学性能表现出相异的变化趋势。随自然老化时间延长,T700/EP-A与T700/EP-B复合材料纵向拉伸强度表现出先升高后降低的趋势,纵向弯曲强度表现出逐渐升高的趋势,纵向压缩强度与层间剪切强度存在波动,未呈现出明显变化。      

三维编织超高分子量聚乙烯纤维-碳纤维混杂增强环氧树脂复合材料摩擦磨损性能

以超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)-碳纤维(CF)三维混杂编织体为增强体,环氧树脂(ER)为基体,通过树脂传递模塑(RTM)工艺制备了三维编织混杂复合材料,研究了其摩擦磨损性能了,并采用混合正压力模型对摩擦系数进行了预测。结果表明,在纤维总体积含量一定的情况下,随着CF体积含量的增加,复合材料的摩擦系数增大,而其比磨损率降低。UH_3D/ER复合材料的磨损机制以粘着磨损为主,CF_3D/ER复合材料则以磨粒磨损为主,混杂复合材料的磨损机制主要取决于CF与UHMWPE纤维的相对含量 ,通过调节UHMWPE纤维和CF的体积比例可实现对复合材料摩擦磨损性能的有效调控。采用的计算模型可较好地预测UH_3D/ER的摩擦系数。     

不同湿热条件下碳纤维/环氧复合材料湿热性能实验研究

对比研究了环氧5228A树脂及碳纤维/环氧5228A树脂复合材料层合板在3种湿热环境(水煮、70℃水浸,70℃85%相对湿度)下的湿热性能,考察了湿热条件对复合材料层间剪切性能的影响规律,并从吸湿特性、物理化学特性、树脂力学性能、湿应力等方面分析了不同湿热环境下复合材料性能衰减的机制。研究表明,碳纤维/高温固化环氧树脂复合材料层间剪切性能主要是由吸湿率决定,相同吸湿率不同湿热条件下性能的下降幅度基本相同;3种湿热条件下该树脂及其复合材料未发生化学反应、微裂纹等不可逆变化,复合材料层合板湿热老化机制主要是吸入水分后基体增塑和树脂、纤维湿应变不一致导致的湿应力对复合材料性能的负面作用。