耐高温碳纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料制备及性能

采用前原位聚合的热塑性聚酰亚胺(PI)改性4,4′-二氨基二苯甲烷双马来酰亚胺(BDM)/4,4′-邻二烯丙基双酚A(DABPA)树脂体系,制备了一种耐高温的改性双马来酰亚胺(BDPI)树脂,研究了BDPI树脂的微观形貌和耐热性能;通过前原位自增强技术制备了T800H碳纤维/BDPI预浸料,通过SEM研究了T800H/BDPI预浸料表面形貌,评价了T800H/BDPI复合材料高低温力学性能和断面微观形貌。结果表明:BDPI树脂满足预浸料加工工艺要求,BDM微米颗粒均匀铺覆于T800H/BDPI预浸料表面,粒径分布为30~70 μm,BDPI树脂固化物的玻璃化转变温度(T_g)为367℃,5%热失重温度(T_d5)为452℃;T800H/BDPI单向复合材料0°拉伸强度、0°拉伸模量和层间剪切强度分别为2 440 MPa、148 GPa和107 MPa,280℃其力学性能保持率分别为66.4%、87.2%和44.1%。      

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。      

纤维复合材料层合板内埋光纤光栅传感器的保护技术

内埋的光纤Bragg光栅（FBG）传感器的存活率及测试精度是其在线监测纤维增强树脂基复合材料制备和服役状态的重要前提。采用[90₁₁/0₁₁]的碳纤维预浸料铺层方式,在层合板0°和45°方向的典型位置埋入FBG温度和应变传感器,采用模压成型工艺制备复合材料层合板。在异向铺排（光纤光栅方向与碳纤维方向不同）的45°方向光纤光栅传感器内埋于碳纤维预浸料层间的过程中,对其采用4种不同的保护方式。通过对比实验结果发现:当对异向铺排的FBG传感器不采取保护措施时,在加热加压复合材料时光纤光栅容易失活;整层铺设同向预浸料以保护异向铺排的FBG传感器的方式改变了具有特定铺层参数复合材料的力学性能;采用窄长条同向预浸料上下包埋保护FBG传感器的方式增大了应变光栅测量结果的系统误差;采用窄长条同向预浸料上下包埋并在邻近铺层开凹槽的保护方式能明显提高内埋光纤光栅的存活率及测试精度。      

碳纳米管加入方式对碳纤维/环氧树脂复合材料层间性能的影响

针对碳纤维/环氧树脂预浸料,对比了直接在树脂中加入碳纳米管(CNTs)后制备预浸料以及将CNTs喷涂在预浸料表面2种CNTs加入方式对CNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料层合板I型与II型层间断裂韧性及层间剪切强度的影响。通过对树脂黏度、固化反应以及玻璃化转变温度的考察,分析了CNTs含量对树脂性能的影响,考察了添加方法对CNTs长度与形态的影响。分析了2种CNTs加入方式对CNTs-碳纤维/环氧树脂层合板断裂韧性及层间剪切强度的改善效果与作用规律。结果表明:CNTs的加入使树脂的黏度提高,固化反应程度下降;2种分散方法对CNTs的长度与形态无明显影响;直接在树脂中加入CNTs对CNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料I型与II型层间断裂韧性的提高效果低于在碳纤维/环氧树脂预浸料表面喷涂CNTs的方式,后者的CNTs利用率较高;由于CNTs团聚及对树脂固化反应的影响,CNTs含量过高会使得其对CNTs-碳纤维/环氧树脂层合板的增韧效果下降。     

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。      

低温等离子体表面改性对CFRP胶接性能的影响

采用低温等离子体处理技术对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)表面进行处理,以氩气(Ar)、N₂和O₂作为等离子体激发气体,通过接触角测量仪、AFM、SEM和XPS等测试分析手段,对CFRP表面的润湿性、粗糙度、微观形貌和化学组分进行表征,并结合拉伸剪切试验测试和失效形貌分析,研究了等离子体气体类型、放电功率P和处理时间t对CFRP表面理化特性和胶接性能的影响。结果表明：Ar、N₂和O₂等离子体处理可以显著改善CFRP胶接性能,当P=800 W,t=20 s时,与未处理相比,CFRP胶接强度分别提高了138%、172%和253%。表面测试分析可知,Ar等离子体处理后,CFRP胶接强度的增加主要是通过提高表面清洁度和增大界面粘接表面积,试样失效模式由界面失效转变为内聚失效为主的混合失效模式。与Ar相比,N₂等离子体处理后,CFRP表面生成了较多-NH₂极性基团,表面活性增加,进一步提高了CFRP和胶粘剂之间界面的结合力。与以上两种气体相比,O₂     

基于内埋光纤Bragg光栅传感器的复合材料固化过程监测

为了全面了解复合材料的固化特性,在对碳纤维增强树脂基复合材料固化变形进行数值仿真分析的基础上,将自行设计的光纤Bragg光栅（FBG）传感器埋入复合材料中,实时在线监测复合材料固化过程中温度和应变的演变。预浸料铺层方式为[0₁₁/90₁₁],分别在层合板0°和45°方向的典型位置埋入FBG温度和应变传感器,采用热模压方式固化成型复合材料层合板,并对成型后的层合板进行连续2次降温处理,实时记录固化过程中FBG传感器中心波长的变化。结果表明:在相同的温度条件下,复合材料在第1次降温初始阶段的压应变绝对值明显小于在第2次降温初始阶段的压应变绝对值,表明复合材料在第1次降温过程中仍在进行FBG传感器可检的“后固化”反应;此外,层合板变形的FBG传感器监测数据与有限元模拟结果吻合良好。因此,采用内埋FBG传感器的方法能够实时监测复合材料固化过程,为更全面地分析复合材料固化特性提供了一种可靠有效的方法。      

VARI工艺成型纤维增强树脂复合材料层合板厚度和纤维体积分数的影响因素

分析了影响真空辅助成型技术（VARI）工艺成型复合材料的纤维体积分数和厚度均匀性的关键因素,即VARI成型工艺的树脂流动控制形式、纤维预制体状态、织物状态、树脂黏度,通过试验分析了各因素对VARI成型复合材料厚度和纤维体积分数的影响。试验结果表明,采用HFVI（high fiber-volume vacuum infusion）工艺、BA9914树脂及真空处理后的U3160单向机织物成型的纤维增强树脂复合材料层合板,其纤维体积分数和厚度均匀性能够接近预浸料/热压罐成型的复合材料制件的水平。     

国产T800碳纤维/双马来酰亚胺复合材料的界面及力学性能

分别采用日本东丽T800H和国产T800碳纤维作为增强体,采用热压罐工艺制备双马来酰亚胺树脂基复合材料。研究了2种碳纤维的表面物理和化学状态,复合材料的微观界面性能及力学性能。结果表明:国产T800碳纤维表面沟槽分布较多,表面粗糙度较高,有利于与树脂基体形成更好的物理结合作用。同时,国产T800碳纤维表面具有较多的含氧官能团,有利于与基体树脂形成更好的化学结合作用。因此,国产T800碳纤维的界面剪切强度较T800H碳纤维高约27%。国产T800/HT-280复合材料的力学性能均普遍高于T800H/HT-280复合材料,其中,90°拉伸强度高约25%,面内剪切强度、弯曲强度高约12%,层间剪切强度高约7%。      

高温老化对T700/HT280双马来酰亚胺复合材料疲劳性能的影响

以多向铺层碳纤维增强双马来酰亚胺(T700/HT280)复合材料和双马来酰亚胺(HT280)树脂为研究对象,采用刚度降的方法研究高温老化对复合材料抗疲劳性能的影响。测量了复合材料和树脂的质损率,并利用FTIR、超声C扫描和动态力学热分析仪(DMA)对高温老化前后材料的化学结构、内部损伤、动态力学行为进行了分析。实验结果表明,随着高温老化时间的延长,两种材料的质损率均呈现先迅速增加后缓慢增加的变化规律。经历长期高温老化后,树脂发生了热氧老化。HT280树脂动态力学性能的变化归因于后固化与热老化效应,T700/HT280复合材料则归因于后固化、热老化和界面脱粘的综合作用。高温老化后T700/HT280复合材料刚度下降的速率与幅度明显小于原始态,表明高温老化后复合材料的后固化与热老化的强化效应明显,导致其抗疲劳性能有一定的提高。     

二元脂肪酸/生物基SiO_2复合相变材料的制备与性能

为了获得适用于建筑领域的相变材料和相变温度,选用月桂酸(LA)和棕榈酸(PA)共混制备的二元低共熔脂肪酸(LA-PA)作为储能材料,废弃稻草和稻草灰提取的生物基SiO_2(b-SiO_2)粉末作为载体,采用熔融浸渗法制备了LA-PA/b-SiO_2定形相变储能材料。采用FTIR、XRD、比表面测试、SEM、DSC、TGA对LA-PA/b-SiO_2复合相变材料的结构与性能进行分析。结果表明:LA-PA和b-SiO_2并不是简单的物理相互作用;LA-PA被束缚在b-SiO_2多孔网络中,从而在固相变为液相时,相变材料不会泄露。通过XRD分析可得,随着b-SiO_2含量的增加,LA-PA/b-SiO_2复合相变材料的结晶度降低。由DSC和TGA分析可知,LA-PA/b-SiO_2复合相变材料具有良好的相变性质和热稳定性,相变焓在67.36~146.0J/g之间。     

Si_3N_4原位增强Cu基复合材料的制备

采用感应炉熔炼及水雾化工艺制得了Cu-Si合金粉末,经N2、H2混合气体选择氮化和真空放电等离子烧结(SPS)成型,制备得到了Si3N4原位增强Cu基复合材料(Si3N4/Cu),利用萃取法研究了选择性氮化产物及其晶体结构。结果表明:复合粉末中N含量随氮化温度的升高和氮化时间的延长而增大。在1 000℃下氮化,持续时间大于60h时,粉末中的N含量明显提高;Cu的衍射峰出现整体向大角度方向的明显偏移,同时晶格常数变小,表明Si从Cu基体中脱溶,与N反应生成Si3N4;Si3N4/Cu复合材料的增强体以β-Si3N4为主;随着氮化温度的升高和氮化时间的延长,Si3N4/Cu复合材料的电导率和硬度逐步提高。     

镧系金属有机骨架/聚酰亚胺复合材料的制备及其性能

采用水热法合成两种含镧系稀土金属的金属有机骨架：1,3,5-均苯三甲酸铽（Tb （BTC））和1,3,5-均苯三甲酸铕（Eu （BTC））,采用原位法以1,4-双（2-三氟甲基-4-氨基苯氧基）苯（6FAPB）和1,2,3,4-环丁烷四酸二酐（CBDA）为单体,将Tb （BTC）和Eu （BTC）分别引入到聚酰亚胺（PI）中,制备出Tb （BTC）和Eu （BTC）质量分数分别为7wt%的Tb （BTC）/PI和Eu （BTC）/PI两种复合材料膜。利用FTIR、紫外-可见光谱仪（UV-vis）、TGA、XRD、SEM、万能拉伸试验机和气体渗透性测试等对Tb （BTC）/PI和Eu （BTC）/PI复合材料的结构和性能进行表征。研究结果表明,Tb （BTC）和Eu （BTC）含有较少的孔结构,且孔径在介孔范围,但热稳定性较高。Tb （BTC）和Eu （BTC）的加入提高了Tb （BTC）/PI和Eu （BTC）/PI复合材料的热性能和力学性能,玻璃化转变温度由纯PI （6FAPB-CBDA）的351.9℃分别提高到358.0℃和354.8℃,失重5%热分解温度由431.6℃分别提高到447.8℃和441.1℃,拉伸强度由60.8 MPa分别提高到77.7 MPa和70.4 MPa,杨氏模量由1.54 GPa分别提高到2.80 GPa和2.17 GPa。但Tb （BTC）/PI和Eu （BTC）/PI复合材料膜的光透明性有所降低,500 nm处的光透过率由82.3%分别下降到23.0%和24.2%。气体渗透测试结果表明,Tb （BTC）和Eu （BTC）的加入均可提高PI （6FAPB-CBDA）膜的气体渗透性,Eu （TBC）/PI对H₂、O₂、N₂和CO₂的渗透性较高,分别为119.23、15.02、3.21和90.35 Barrer,O₂/N₂为4.68,CO₂/N₂为28.15。     

SiO2-苯并噁嗪/双马来酰亚胺树脂的固化反应动力学

为改善双马来酰亚胺树脂(BMI)脆性过大、耐热性不足的缺点,以末端含有氨基的纳米SiO₂(SiO₂-NH₂)为原料,通过溶剂法制备出结构中含有SiO₂的苯并噁嗪树脂单体(SiO₂-BOZ),作为改性体系加入到BMI中进行共混,制备出一种耐热性能、韧性良好的新型SiO₂-BOZ/BMI树脂材料,并详细研究了SiO₂-NH₂的添加对BMI固化反应动力学的影响。结果表明,当SiO₂-BOZ添加量达到15.0wt%时,SiO₂-BOZ/BMI树脂复合材料的表观活化能较纯BMI树脂得到了一定程度的降低,SiO₂-BOZ/BMI的弯曲强度达到最大值166.12 MPa,较纯BMI 增加了32.3%,且具有比BMI更好的耐热性能。      

Anode mode in cathodic arc deposition apparatus with various cathodes and ambient gases

The anode mode of a vacuum arc in a cathodic arc deposition apparatus was observed as a function of ambient gas pressure ranging from 0.01 to 300 Pa. The chamber (400 mm in diameter and 600 mm in length) made of stainless steel (SUS304) acted as the anode. The arc was operated at a relatively low constant current of 50 A. The cathode materials used were Al, Ti, Fe, Ni, and Cu, and ambient gases were He, Ne, Ar, H₂, N₂, O₂, and CH₄. The principal results are as follows. (1) As the pressure was increased, the anode mode changed from diffuse-arc to footpoint to plane luminous to anode-spot mode. (2) The anode mode and resultant arc voltage increase were strongly dependent on gas species, and weakly on the cathode material. (3) Comparing diatomic and polyatomic (H₂, N₂, O₂, and CH₄) with mono-atomic molecule gases (He, Ne, and Ar), the onset pressure of the anode mode transition in the former was lower, the arc voltage higher, and the footpoints more numerous, smaller, and clearer. Both the dependence of the ambient pressure and the influence of the cathode materials and gas species on the anode mode changes were explained by the ion deficiency theory.     

AlB2对高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料及其裂解产物力学性能的影响

以AlB₂和SiC颗粒填充酚醛树脂作为基体,高硅氧纤维作为增强体,制备了高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料。研究了不同添加量的AlB₂颗粒对高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料常温和1200℃裂解产物性能的影响,并分析了AlB₂颗粒对其裂解产物的增强机制。结果表明:随着AlB₂颗粒的添加,高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料常温下的弯曲强度逐渐减小,但其1200℃裂解产物的弯曲强度先增大后减小。当AlB₂颗粒与酚醛树脂的质量比为12%时,裂解产物的弯曲强度提高最为显著,相比未添加AlB₂颗粒的复合材料,其裂解产物的弯曲强度提高了16.4%。AlB₂颗粒在1200℃有氧环境中反应生成由B₂O₃ 、Al₂O₃和Al₂₀B₄O₃₆组成的共熔体,填充了树脂基体裂解产生的孔隙,明显减少复合材料裂解产物的结构缺陷,阻止内部材料进一步氧化,提高了裂解产物的力学性能。      

特高压气体绝缘金属封闭开关设备用Al2O3/环氧树脂复合材料的非等温固化动力学及蠕变性能

针对特高压气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）用Al₂O₃/环氧树脂（EP）复合材料,采用非等温差示扫描量热（DSC）法研究了Al₂O₃/EP复合材料的固化行为,对其DSC曲线进行分峰处理,利用等转化率方法求得不同反应阶段的表观活化能。根据Málek判据得到Al₂O₃/EP复合材料的固化行为符合的模型类型,并求得不同反应阶段的各个动力学参数及固化动力学方程。利用SEM观察Al₂O₃/EP复合材料的微观形貌,通过动态热力学分析仪（DMA）分析其动态热力学性能和高温蠕变性能,利用时温等效预测了Al₂O₃/EP复合材料的长时蠕变行为。结果表明,DSC热流曲线表现为双峰分布;Al₂O₃/EP复合材料的两个反应阶段的表观活化能分别为35.3 kJ/mol及48.1 kJ/mol,Sestak-Berggren自催化模型能够很好地描述Al₂O₃/EP复合材料体系在不同固化阶段的固化行为。Al₂O₃颗粒均匀分散于树脂基体中,填料的加入使裂纹发生偏转。Al₂O₃/EP复合材料的储能模量（E'）随温度的升高而降低,损耗因子（tanδ）峰值对应的玻璃化转变温度（T_g）为120.03℃。Al₂O₃/EP复合材料的抗蠕变性能随着拉伸应力和温度的增加而减弱,随着时间的延长,其蠕变速率减小。      

功能化纳米SiO2-聚醚砜/BMI-酚醛环氧树脂复合材料的固化动力学与性能

以4,4’-二氨基二苯甲烷（DDM）为固化剂、双马来酰亚胺（BMI）和酚醛环氧树脂（F51）为基体、聚醚砜（PES）为增韧剂、硅烷偶联剂KH560功能化纳米SiO₂（KH-SiO₂）为改性剂,采用原位聚合法制备了KH-SiO₂-PES/BMI-F51复合材料,并通过非等温DSC确定了复合材料的固化工艺及固化反应动力学。根据Kissinger方程和Ozawa方程求得体系的表观活化能分别为96.03 kJ/mol和99.18 kJ/mol。FTIR测试结果表明:KH-SiO₂改性效果良好,不饱和双键和环氧基特征峰消失,BMI中C=C双键和F51中环氧基在DDM作用下参与了体系的固化反应。SEM结果表明:PES树脂和KH-SiO₂含量适当时,PES树脂和KH-SiO₂在树脂基体中分散均匀,断裂纹不规则杂乱发展,KH-SiO₂-PES/BMI-F51复合材料呈韧性断裂。力学性能测试和热失重测试表明:当PES含量为4wt%,KH-SiO₂含量为1.5wt%时,KH-SiO₂-PES/BMI-F51复合材料的弯曲强度、弯曲模量和冲击强度分别为156.23 MPa、4.18 GPa和20.89 kJ/m2,较BMI-F51基体分别提高了49.7%、29.4%和82.8%;KH-SiO₂-PES/BMI-F51复合材料的热分解温度为393.1℃,残重率为50%时,分解温度高达523.1℃,耐热性十分优异。KH-SiO₂-PES/BMI-F51复合材料的力学性能和耐热性有了较大提高,为拓展F51及BMI的应用范围提供了一定的理论数据。      

纳米TiO2改性环氧涂层对玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料紫外-凝露老化特性的影响

通过紫外-凝露加速老化试验,考察了纳米TiO₂改性环氧涂层对玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料各种性能的影响。研究了紫外-凝露环境中不同纳米TiO₂含量的纳米TiO₂改性环氧涂层的颜色及硬度变化。并研究了未涂覆涂层、涂覆环氧涂层及2wt%TiO₂改性环氧涂层的玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料的颜色变化、质量变化、弯曲性能及剪切性能变化规律。发现紫外-凝露环境下老化90天后未涂覆涂层、涂覆环氧涂层及2wt% TiO₂改性环氧涂层玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料弯曲强度分别下降了14.7%、10.0%和9.2%,弯曲模量分别下降了5.9%、5.4%和3.2%。考虑紫外、湿度、温度共同作用,对古尼耶夫剩余强度公式进行修正,预测了纳米 TiO₂改性环氧涂层玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料的寿命。