高强高模聚酰亚胺纤维/改性氰酸酯树脂复合材料制备及性能

以4,5-环氧己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯（TDE-85）、苯基缩水甘油醚（PGE）、壬基酚（NP）作为改性剂改性双酚A氰酸酯（BCE）得到改性氰酸酯树脂（TPNCE）,通过湿法缠绕制备预浸料,并采用热压罐成型工艺制备S30M型高强高模聚酰亚胺纤维/TPNCE（PI/TPNCE）复合材料,对TPNCE树脂及PI/TPNCE复合材料的介电、力学等性能进行了分析。结果表明,TPNCE树脂冲击强度达到14.2 kJ/m2,比BCE提高近一倍,固化温度下降了约43℃,与PI纤维界面结合较好,且保持较低的介电常数和介电损耗;PI/TPNCE复合材料0°拉伸强度达到1 485 MPa,弯曲强度达到758 MPa,压缩强度达到322 MPa,7~18 GHz范围内介电常数保持在3.15左右,介电损耗因子在0.005~0.0075之间,玻璃化转变温度为197℃,密度为1.28 g/cm3。本研究实现了高强高模PI纤维与氰酸酯树脂复合的重要突破,为轻质高强结构-功能一体化复合材料的设计和选材提供了新思路。      

聚酰亚胺表面处理玻璃纤维/环氧树脂复合材料力学性能

采用浇铸成型工艺制备含0.5wt%、长度分别为1 mm、3 mm、5 mm的短切玻璃纤维/环氧树脂（GF/EP）复合材料,研究含活性酚羟基和不含酚羟基的两种聚酰亚胺（PI）处理GF表面对纤维束拉伸强度及GF/EP复合材料力学性能的影响,并进一步研究PI处理GF对复合材料热性能的影响。研究结果表明,经过PI处理的GF,集束性和拉伸强度得到提高。含活性酚羟基聚酰亚胺（PI1）处理的GF拉伸强度由原丝束的517 MPa提高到1 032 MPa,不含酚羟基聚酰亚胺（PI2）处理的GF提高到986 MPa。当PI1处理的GF长度为3 mm时,GF/EP复合材料的力学性能最好,拉伸强度比未处理的提高23.62%,拉伸模量提高34.03%,弯曲强度提高28.74%,断裂韧性提高13.04%;PI2处理的GF,GF/EP复合材料拉伸强度提高15.87%,拉伸模量提高23.70%,弯曲强度提高14.11%,断裂韧性提高4.05%。此外,PI处理GF对GF/EP复合材料热性能也有一定程度的提高。     

高强高模纤维及其复合材料的研发方向

近年来，高强高模纤维及其复合材料发展迅猛，产能不断扩大，一些新兴国家打破了少数发达国家长期以来的垄断地位，并加速实现这些高性能纤维及其下游制品的产业化；另一方面，受金融危机的影响，这些产品出现了暂时供过于求的局面，发达国家延缓了一批原计划扩建的项目，并低价向新兴国家倾销，使得厂家间争夺市场的竞争进一步加剧。在这些背景下，主要生产国纷纷研究对策，制定应对的措施、未来发展方向和重点研究的课题，以下按不同国家分别加以简述。     

高强高模聚乙烯纤维力学性能的应变率和温度效应

利用MTS810材料试验机、旋转盘式杆-杆型冲击拉伸装置和温度控制箱,在温度20℃~110℃、应变率为0.001/s~700/s范围内,对高强高模聚乙烯纤维束进行了准静态和高应变率冲击拉伸实验,得到了不同温度、不同应变率时纤维束的应力-应变曲线。结果表明:高强高模聚乙烯纤维束的初始弹性模量具有应变率和温度相关的特性,随应变率提高而增加,随温度提高而下降;在常温下,破坏应力从准静态到动态,具有明显的应变率相关性,随应变率提高而增加,但在20℃~110℃范围内、高应变率下,对应变率变化不敏感;失稳应变也具有应变率和温度相关的特性,随应变率提高而减小,随温度提高而增大。在高应变率下,断裂应变能密度主要由初始弹性模量和失稳应变共同决定,受温度效应和应变率效应的综合影响。     

高强高模PVA纤维的横纹结构

选取不同转化率下无乳化剂乳液聚合制得的聚乙烯醇(PVA)进行凝胶纺丝,经相同后处理工艺处理后,得到两种纤维,光学显微镜下观察到低转化率下制得的纤维有横纹,高转化率下的无横纹。采用纤维强伸仪、偏光显微镜、扫描电镜(SEM)、X射线衍射及差示扫描量热(DSC)对纤维力学性能、表面形貌和内部结构进行分析,结果表明,两种纤维都具有较高的力学性能,内部较致密,横纹纤维较无横纹纤维结晶度高,表面较光滑。理论推测横纹由拉伸过程中形成的柱晶结构引起。     

石墨烯/环氧树脂复合材料的制备与力学性能

通过对氧化石墨热膨胀还原并用超声分散制备了石墨烯,并对所得产物进行分析表征。用超声分散和模具浇注成型法制备了石墨烯/环氧树脂纳米复合材料。研究了石墨烯含量对石墨烯/环氧树脂复合材料力学性能和断面形貌的影响,分析了石墨烯对环氧树脂的增强机理。结果表明,随着石墨烯含量的增加,石墨烯/环氧树脂复合材料的拉伸强度及模量先增加后减小;当石墨烯的质量分数为0.1%时,复合材料的拉伸强度达到最大值60.9MPa,比纯环氧树脂提高了16.88%;当石墨烯的质量分数为0.5%时,复合材料的拉伸模量达到最大值2833.3MPa,比纯环氧树脂提高了48.29%。     

废丁苯胶乳/废聚酯纤维高强高模复合材料的制备与性能

采用液相高剪切混合、共沉预处理技术改善纤维在橡胶基体中的分散及其界面结合,制备了废丁苯胶乳/废聚酯纤维高强高模复合材料,并系统研究了复合材料的硫化特性、力学性能、动态力学性能和断面微观形貌。结果表明,当纤维的质量分数为60%时,复合材料具有最佳的力学性能,其拉伸强度为23.2 MPa,而未填充纤维的硫化胶强度仅为9.3MPa;同时,室温下材料的储能模量提高了约19倍。     

聚酰亚胺纤维制备及应用

聚酰亚胺是指分子主链中含有酰亚胺环的一类聚合物材料,这种高度共轭的主链结构赋予了聚酰亚胺纤维优异的力学性能,较高的耐热氧化稳定性、耐溶剂腐蚀性能等,在航空航天、环境保护等领域具有广阔的应用前景.由于聚酰亚胺加工过程中的基础问题尚未攻克,影响了这类高性能纤维的发展和使用.高新材料发展的需要、聚酰亚胺化学结构的多设计性和合成技术的改进以及纺丝技术的进步促进了聚酰亚胺纤维的发展,通过大分子结构设计和聚集态结构的调控,可以得到不同化学结构的高强高模、耐高温、耐辐射特性的聚酰亚胺纤维.主要概述了聚酰亚胺纤维的性能、制备方法及应用领域,并对近年来国内外最新研究进展和产业化情况进行了介绍.     

单向连续碳纤维-玻璃纤维层间混杂增强环氧树脂基复合材料的力学性能

为了研究连续单向纤维的层间混杂方式对复合材料力学性能及破坏方式的影响,采用碳纤维-玻璃纤维体积比为1∶1,以拉-挤成型法制备了具有不同层间混杂结构的连续单向纤维增强环氧树脂基复合材料,并研究了不同层间混杂结构的连续单向碳纤维-玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能及破坏形式。结果表明：具有层间混杂结构的复合材料抗拉强度处于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料之间,复合材料的拉伸断裂方式为劈裂;具有层间混杂结构的复合材料的层间剪切强度均优于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料,复合材料的剪切断裂方式为层间断裂。     

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。      

MWCNTs对环氧树脂及多尺度MWCNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响

通过对胺基化多壁碳纳米管（MWCNTs-NH₂）进行改性,得到改性MWCNTs悬浮液（MWCNTs-NH₂（M））。分别将羧基化MWCNTs （MWCNTs-COOH）和MWCNTs-NH₂（M）分散在环氧树脂（EP）中,采用热熔法制备了多尺度MWCNTs-碳纤维（CF）/EP复合材料。研究了MWCNTs对EP模量、韧性及EP与CF之间界面黏结强度的影响,并分析了MWCNTs与CF上浆剂的作用,评价了多尺度MWCNTs-CF/EP复合材料的力学性能。结果表明：官能团化的MWCNTs可对EP的模量和韧性起到更好的增强作用。MWCNTs接枝的-COOH或-NH₂可与CF上浆剂中的环氧基团发生化学反应,提高EP与CF之间的界面剪切强度。MWCNTs-NH₂（M）对多尺度MWCNTs-CF/EP复合材料力学性能的增强效果优于MWCNTs-COOH,当MWCNTs-NH₂（M）的含量为1wt%时,多尺度复合材料的0°压缩强度、90°压缩强度、弯曲强度、弯曲模量、冲击后压缩强度（CAI）分别提高了16.7%、16.3%、40.9%、30.3%、20.6%。     

PEK-C膜层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能

为探究热塑性酚酞基聚醚酮（Polyaryletherketone with Cardo,PEK-C）树脂薄膜及膜厚对层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响,利用浸渍提拉法制备了三种不同厚度（分别约为1 μm、10 μm、30 μm）的PEK-C膜,通过热压成型制备了层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料层合板,对其进行了Ⅰ型层间断裂韧性、冲击后压缩强度、层间剪切及弯曲性能测试,并利用SEM观察微观形貌及AFM扫描微观相图。结果表明:不同PEK-C膜厚增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性、冲击后压缩强度及层间剪切强度有不同程度提高,Ⅰ型层间断裂韧性及层间剪切强度以膜厚为10 μm最佳,分别增大了157.17%和17.57%,冲击后压缩强度以膜厚为30 μm最佳,达到了186.67 MPa,这是由于PEK-C与环氧树脂在热压固化过程中形成了双相结构,改善了材料韧性;但弯曲性能持续下降,强度及模量由未增韧的1 551 MPa、106 GPa分别降至30 μm时的965 MPa、79 GPa,这是由于PEK-C树脂扩散进入环氧树脂中,降低了纤维体积分数及材料刚度。      

国产聚丙烯腈基高强高模碳纤维电化学氧化表面处理工艺

以国产聚丙烯腈（PAN）基M55J级碳纤维（CF）为研究对象,首先在不同电解液体系中进行循环伏安多重扫描,比较其氧化能力的差异,进行电解液的筛选。然后用最佳电解液对CF进行恒流连续氧化处理,通过Raman光谱、XPS和SEM的表征,研究了电化学氧化对高强高模CF表面结构及化学组成的影响,并通过测试CF束丝拉伸性能及其与树脂结合后的层间剪切强度对CF的力学性能进行了表征。研究结果表明,NH₄HSO₄电解质溶液对CF进行表面处理时,其刻蚀能力最强,可以有效改善其表面活性,增大其表面粗糙度和含氧官能团数量。采用0.6 mol/L的NH₄HSO₄电解液体系,在1 mAcm^-2电流密度下对CF进行阳极氧化,CF与树脂间的层间剪切强度比未处理提高了164%,同时CF的拉伸强度略有提高,模量无明显变化。     

基于纤维束/环氧树脂复合材料试验的单向层合板横向拉伸强度预测方法

实验研究表明,纤维束/环氧树脂复合材料试件的横向拉伸强度与工程上常用的单向层合板横向拉伸强度在趋势上具有很好的相关性,但是数值上存在一定差距。本文使用两种碳纤维和两种环氧树脂制备了三种纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板,并分别测量了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度,以及环氧基体的拉伸强度。在实验基础上,应用Griffith断裂强度理论建立了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度的关系模型,通过两种复合材料实验的结果拟合了该模型中的参数。利用第三种复合材料实验进行校验,发现该模型预测的单向层合板横向拉伸强度与实测强度之间达到很好的一致性,相对偏差为9%。采用本文提出的方法,可以用较为简单的纤维束/环氧树脂复合材料和环氧基体拉伸试验预测单向层合板的横向拉伸强度。     

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%。      

碳纤维增强油井水泥石的力学性能

油井水泥石在井下易脆裂,造成油井层间封隔失效,进而影响油井开采。为了解决这一问题,需要对水泥石进行降脆增韧。首先,考察了甲基纤维素和羧甲基纤维素对碳纤维的分散效果;然后,研究了碳纤维对油井水泥石抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度的影响,并模拟井下环境测试了水泥石单轴和三轴应力-应变曲线;最后,使用扫描电子显微镜对碳纤维增强水泥石的微观形貌进行观察,探讨碳纤维对水泥石的增韧机制。结果表明:0.2wt%的羧甲基纤维素溶液可有效分散碳纤维;养护28d后,0.3wt%碳纤维增强水泥石的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度较纯水泥石的分别提高8.6%、31.5%和52.4%,三轴直接加载条件下,其弹性模量较纯水泥石的低49.5%;经过分散的碳纤维在水泥石中乱向分布,形成三维网络结构,通过桥联、剥离及拔出耗能作用增强水泥石。研究结果为解决油井水泥石易脆裂的问题提供了理论参考。