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。     

复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性

本文采用铰链式双悬臂梁试件对碳/双马来酰亚胺复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性进行了研究,分析比较了层间断裂韧性G_IC的表达方法,用三次多项式和幂函数拟合实验柔度的方法得到的结果比较满意,实验结果表明纤维桥连对单向层合板的G_IC的影响是显着的,用刀片切割桥连纤维后G_IC值下降百分之二十,分散性也有显着下降。另外发现G_IC值随试件厚度增加而增大。      

复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性

本文采用铰链式双悬臂梁试件对碳/双马来酰亚胺复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性进行了研究,分析比较了层间断裂韧性G_IC的表达方法,用三次多项式和幂函数拟合实验柔度的方法得到的结果比较满意,实验结果表明纤维桥连对单向层合板的G_IC的影响是显着的,用刀片切割桥连纤维后G_IC值下降百分之二十,分散性也有显着下降。另外发现G_IC值随试件厚度增加而增大。     

炭纤维层间化合物的制备及其膨化（英文）

在浓硝酸溶液（13mol/dm^3)中，通过恒电流电解，成功地进行了中间相沥青和聚丙烯腈基两种炭纤维（MPCF，PANCF）的硝酸插层。虽经水洗和干燥后有部分被分解成残余化合物，但从其层间距增至0.78nm左右这一现象证实已形成了层间化合物。经急剧加热至100℃后，观察到了显著的形貌变化，单根纤维沿着纤轴被劈裂开，转变成一束微纤维。低结晶度PAN－CF经急热处理后，被观察到了这种膨化现象。对经2000℃左右处理的MPCF，在两个阶段，电解时CF的电势明显增加：1500℃处理的MPCF电解电势逐渐增加，而1150℃处理的MPCF，此值几无上升。     

超细纤维增强复合材料Ⅰ型层间断裂韧性分析

采用静电纺丝技术制备了厚度约0.1mm的超细纤维无纺布薄膜, 并入层合板中间界面, 固化成型后加工为双悬臂梁(DCB)试样。根据ASTM D5528标准测试了 Ⅰ 型层间断裂韧性。实验结果表明, 增强试样比空白试样的 Ⅰ 型临界应变能释放率(G_{Ⅰ C})提高了约35％。同时采用有限元分析方法研究了含无纺布薄膜试样和空白试样的裂纹扩展过程, 数值结果与实验结果吻合较好, 更好地解释了含无纺布薄膜层合板的层间断裂机理。      

石墨和炭纤维分别改性热塑性聚酰亚胺复合材料的导热行为

采用石墨、 炭纤维填充改善热塑性聚酰亚胺(TPI)材料的导热性能, 研究了填料物性对材料力学性能和导热行为的影响。在此基础上, 用Nielsen理论模型和有限元方法模拟了复合材料的导热行为, 进一步探讨了填料形状对材料导热系数的影响。研究表明: 炭纤维、 石墨填充TPI均能提高复合材料的导热性能; 用Nielsen理论模型预测石墨、 炭纤维填充TPI材料导热系数与实验值存在一定偏差; 采用有限元法模拟二维复合材料稳态导热行为, 能有效地预测复合材料的导热系数。基于材料内部热流分布模拟分析发现, 填料自身导热性能对复合材料导热行为的影响不明显; 与圆形填料相比, 方形填料改善材料导热性能效果显著。      

氧化石墨烯-碳纳米管复合膜层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料

碳纤维增强树脂基复合材料层合板结构的层间性能一直是材料的性能短板,本文利用氧化石墨烯(GO)和碳纳米管(CNT)设计制备了具有一定渗透性和树脂浸润性的复合膜,采用层间增韧方法,制备了GO-CNT复合膜改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料,通过张开型Ⅰ型层间断裂韧性(G_ⅠC)与滑移型Ⅱ型层间断裂韧性(G_ⅡC)对GO-CNT-CF/EP复合材料的层间韧性进行了研究,并结合复合材料的破坏微观形貌和损伤/破坏特征分析了GO-CNT复合膜对复合材料的层间增韧效果及增韧机制。结果表明：GO与CNT质量比为3∶7时制备的复合膜具有良好的成膜工艺性和树脂浸润性,EP与GO-CNT复合膜的接触角远低于其与纯GO膜的接触角,并且GO与CNT结构中的羟基、羧基、环氧基等含氧基团增加了它们与EP的物理亲和性和化学作用,有利于复合材料层间GO-CNT/EP微区结构的强韧化。GO-CNT复合膜对复合材料的张开型层间断裂韧性G_ⅠC没有增强效果,甚至复合材料的G_ⅠC值还发生了轻微下降。而GO-CNT复合膜对复合材料的滑移型层...     

PBO纤维增强环氧树脂复合材料层间Ⅰ型断裂韧性的DIC技术测量

Ⅰ型双悬臂梁(DCB)试验通常用于单向复合材料的层间抗拉性能研究,目标是测量Ⅰ型层间断裂韧性,其可作为复合材料分层扩展及失效机制研究的重要输入参数。在DCB试验中必须经常暂停试验以实现多次测量裂纹长度,这不仅会对裂纹传播产生潜在影响,造成测量误差且多次反复试验的时效性较差。数字图像相关(DIC)测试技术应用于裂纹扩展长度测量具有实时跟踪、精确定位的优点,可有效提高Ⅰ型断裂韧性试验的测量效率,但应用于非连续变形行为仍存在局限性,且易受到图像噪声的干扰,产生测量误差。本文发展了一种基于DIC测试技术的实时获取裂纹长度的检测方法,通过图像匹配算法获取试件的非连续变形位移场,并提出一种根据全局横向位移离散程度的辨别方法,实现了裂纹尖端的实时捕捉。再通过DCB试验,与传统测量方式对比,裂纹长度的测量误差平均不超过2.76%,验证了该方法的准确性和高效性,同时也克服了聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)/环氧树脂复合材料侧表面毛糙、散斑质量较差及纤维桥接对测量结果的干扰,最终获取了有效的Ⅰ型层间断裂韧性初始值及稳态扩展值。     

苎麻短纤维层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料

采用热压机层压成型工艺制备了苎麻短纤维(SRF)层间增韧碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料层压板,研究了SRF的长度、面密度及其表面偶联处理对CF/EP复合材料层间断裂韧性的影响,并进一步研究了SRF的铺入对复合材料弯曲、拉伸性能的影响。研究结果表明,层间SRF的铺入明显改善了CF/EP复合材料的I型和II型层间断裂韧性(G_(IC)和G_(IIC)),当表面偶联处理的纤维长度为6mm、面密度为12g·m~(-2)时,增韧效果最佳,GIC由497.48J·m~(-2)增加到667.54J·m~(-2),提高了34.24%;GIIC由508.52J·m~(-2)增加到862.11J·m~(-2),提高了69.54%。此外,铺入SRF对复合材料的弯曲、拉伸性能也有一定程度的提高。通过SEM观察发现,SRF的增韧机制与其层间桥联以及裂纹扩展过程中从基体中拔出与劈裂等现象有关。     

树脂基体中热塑性树脂含量对碳纤维环氧复合材料Ⅱ型层间断裂韧性的影响

制备了国产CCF800H碳纤维增强环氧树脂基复合材料,通过调控环氧树脂中的热塑性增韧树脂含量,探索热塑性树脂增韧颗粒含量对复合材料Ⅱ型层间断裂韧性的影响,结果表明,在碳纤维对增韧剂颗粒的过滤效应下,热塑性树脂增韧颗粒会在复合材料层间富集,并且随着热塑性树脂增韧剂含量增加,复合材料层间厚度增大.随热塑性树脂增韧剂含量增加,在层间树脂基体韧性及层间高韧树脂厚度增大的共同作用下,复合材料Ⅱ型层间断裂韧性逐步提升.     

平纹织物结构对织物增强复合材料层间断裂韧性影响的研究

本文采用粘贴片式双悬臂梁(DCB)试件和端部切口弯曲(ENF)试件研究了平纹织物的经纬纱密度对玻璃平纹织物/环氧树脂复合材料的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性的影响。实验结果表明织物的密度对层间断裂韧性有显著的影响。提出了在织物增强复合材料层合板中,基体在织物孔洞中形成层间铆接,并且就其与层间G_IC和G_IC的关系进行了研究。      

炭纤维复合材料共固化液体成型工艺及层间性能研究

采用共固化液体成型工艺制备了炭纤维/环氧树脂基复合材料层板,分析了层板的密实和两种树脂的相互扩散情况,采用Ⅰ型层间断裂韧性(能量释放率GⅠC)和短梁抗剪强度研究了共固化液体成型层板的层间性能,并与预浸料成型层板和液体成型层板进行了比较。进一步研究了共固化层板中预浸料/液体成型层界面处的纤维取向对GⅠC的影响。结果表明:所制备的共固化液体成型层板,层内密实程度高、层间富树脂区不明显,预浸料/液体成型层的层间处两种树脂有一定程度的相互扩散;受界面处树脂相互扩散的影响,共固化层板的层间断裂韧性处于预浸料层板、液体成型层板的平均水平,而层板的短梁抗剪强度由性能较低的一方决定;预浸料/液体成型层界面处的纤维取向对GⅠC有明显影响,其中[45/90]的情况有着较高的抵抗开裂和裂纹扩展的能力。     

一锅法合成多金属硫化物/碳复合材料及其储锂性能（英文）

多金属硫化物/碳(MMS/C)复合材料因其良好的结构稳定性、充足的活性位点和有益的协同效应,在能源、催化、传感、环境科学等领域具有良好的应用潜力。然而,MMS/C复合材料繁琐、低效和对环境有害的制备方法制约了其发展。本文报道了一种简易、通用的制备策略合成了系列MMS/C复合材料。该策略的关键是采用了碳源-非碳前驱体一体化的离子交换树脂-金属离子杂化组装体作为构筑单元,可实现均匀的多相有机/无机界面,在高温条件下原位生成封装于碳骨架中的金属硫化物。通过改变金属离子的种类,实现了14种MMS/C复合材料的合成。基于其组分和结构优势,所制MMS/C复合材料表现出高效、快速和持久的锂离子存储性能。其中,ZnS-Co9S8/C复合材料在0.1 A·g^-1电流密度下循环600次后仍具有651 mAh·g^-1的可逆储锂容量;当电流密度提高20倍时,容量保持率超过54%,展现出优异的倍率性能。本文提出的均一、多相有机/无机界面合成策略有望扩展用于制备其他金属化合物(如金属磷化物、金属硒化物等)/碳复合材料,为多金属化合物/碳复合材料的合成提供有效的途径。     

碳纳米管/环氧树脂复合材料的静电自组装制备及性能

采用静电自组装法制备了均匀分散的碳纳米管环氧树脂复合材料,并对比分析了普通碳纳米管和功能化碳纳米管对环氧树脂热学和电学性能的影响。采用透射电镜(TEM)观察到碳管和树脂乳液自组装形成"葡萄藤"状结构,扫描电镜(SEM)观察发现,碳管可在环氧树脂中均匀分散并形成网络。电、热性能研究发现,添加3%普通碳纳米管可降低环氧树脂表面电阻率7个数量级,导热系数较纯树脂提高112%,而羧基化碳纳米管表面电阻率仅降低4个数量级,导热系数仅提高86%。     

有机黏土对碳纤维/聚醚砜-环氧复合材料层间断裂韧性的影响

采用溶剂法和热熔法制备了不同有机黏土质量分数的有机黏土/聚醚砜（PES）-环氧复合材料,通过对其微观形态和力学性能的研究,揭示了复合材料的增韧机制。在有机黏土/PES-环氧复合材料中添加T800H（12K）碳纤维,制备了T800H-有机黏土/PES-环氧复合材料预浸料单向带,采用热压罐工艺制备了复合材料单向板,对其I型、II型层间断裂韧性进行了研究。结果表明:T800H-有机黏土/PES-环氧复合材料的层间断裂韧性随有机黏土质量分数变化趋势与有机黏土/PES-环氧复合材料的断裂韧性趋势一致,证明了增韧机制的正确性。      

表面粗糙度和含氧官能团对炭纤维/环氧树脂界面黏结的贡献（英文）

炭纤维（CF）与基体之间的界面黏结对CF增强聚合物复合材料的性能至关重要。为了评估机械啮合和化学键合对炭纤维增强环氧树脂（EP）复合材料界面黏附性能的贡献,分离了炭纤维的表面粗糙度和含氧官能团以研究它们对界面黏附的影响。结果表明,氨水处理提高了表面粗糙度而不改变化学性能,而电化学处理在不改变表面粗糙度的情况下提高了化学性能。采用微滴法测试了CF/EP的界面剪切强度（IFSS）,并通过线性拟合得到了IFSS与表面粗糙度和氧含量之间的函数关系。结果表明,在双官能和四官能环氧树脂体系中,化学键合对于增强界面黏附的贡献因子高于机械互锁。     

偶联剂表面富集对高强玻纤复合材料界面和层间断裂韧性的影响

浸润剂是形成复合材料界面的关键组成,理解浸润剂特性对复合材料界面和宏观力学的影响机制,对发展高性能复合材料有着重要的科学价值。本文研究了采用两种不同浸润剂体系的高强玻璃纤维织物的表面、界面和层间断裂韧性等性能,发现其中一种浸润剂体系的纤维表面发生了更显著的偶联剂表面富集,偶联剂表面富集导致纤维/树脂之间具有较高的动态接触角,同时纤维/树脂的界面剪切强度下降。作为对比,偶联剂较少表面富集的浸润剂体系,纤维/树脂之间的动态接触角较小,同时界面剪切强度较高。两种复合材料的I型、II型层间断裂韧性均基于纤维/树脂之间的界面脱粘机制,较多偶联剂表面富集的浸润剂降低了复合材料的界面连续性,而较少偶联剂表面富集的浸润剂则与树脂形成了连续的界面相,界面粘结良好,并诱导了层间断裂时的织物拔出机制,I型和II型层间断裂韧性分别比前者高56.5%和62.2%。     

TDI改性MWCNTs/环氧树脂复合材料的制备和导热性能研究

制备了多壁碳纳米管(MWCNTs)/甲苯二异氰酸酯(TDI)反应生成物和环氧树脂(Ep)的复合物,并对其进行了红外表征及形态学研究.扫描电镜(SEM)显示碳纳米管很好地分散在环氧树脂中.X射线衍射仪(XRD)测试结果表明复合材料为半结晶态.复合材料的体积电阻率由纯环氧树脂的1016降低到108,导热系数提高到纯环氧树脂的近1倍.