不同粒子改性环氧树脂基碳纤维复合材料低速冲击及冲击后压缩性能

使用单层纳米氧化石墨烯(GO)、纳米SiO2、陶瓷粉对环氧树脂进行改性处理,采用真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺分别制备了[±45/0/90]S、[908]T、[08]T三种铺层角度下的碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板.通过落锤冲击实验、超声C扫描检测、冲击后压缩实验等对不同粒子改性CFRP进行实验研究.结果表明:纳米粒子改性可以显著提升CFRP的抗冲击性能及冲击后压缩性能,与其他铺层角度相比,[±45/0/90]S铺层CFRP有效抑制了冲击裂纹的扩展,且单层纳米GO改性下的[±45/0/90]S铺层层合板最大冲击载荷及冲击后压缩强度分别达到3470 N、124.8 MPa,冲击损伤面积仅有580 mm2.与无粒子改性同种铺层层合板相比,最大冲击载荷及冲击后压缩强度相应提高了30％、47.3％,冲击损伤面积减小了15.5％.     

改性纳米或微米SiO_2的分散方法对木粉-SiO_2/聚丙烯复合材料力学性能的影响

未改性和乙烯基三甲氧基硅烷(VTS)改性的纳米SiO_2和微米SiO_2作为增强相,采用直接分散(干分散)和溶液分散(湿分散)两种方法将SiO_2添加到聚丙烯(PP)基体中。将木粉(WF)作为改性相添加到SiO_2改性的PP中制备WF-SiO_2/PP复合材料,探索SiO_2粒径、分散度及界面改性对复合材料增强效果的影响。红外光谱显示改性后的SiO_2已经成功接枝到PP基体上;与未填充SiO_2的WF/PP复合材料相比,干分散模式添加质量比为9%的微米SiO_2或9%的纳米SiO_2,WF-SiO_2/PP复合材料的弯曲强度分别降低了21%和18%;然而,湿分散模式以VTS改性微米SiO_2和纳米SiO_2,WF-SiO_2/PP复合材料弯曲模量分别提高了17%和22%,且抗蠕变性能也明显改善;通过干分散和湿分散模式添加微米SiO_2,均使WF-SiO_2/PP复合材料冲击强度提高了17%。研究表明,在SiO_2粒子分散均匀且与基体界面结合良好的前提下,加入适量微米SiO_2或纳米SiO_2使WF-SiO_2/PP复合材料的冲击强度提高了15%～25%。     

改性纳米SiO_2/环氧-丙烯酸酯复合材料的制备与性能研究

通过溶胶-凝胶法自制纳米二氧化硅(SiO_2),并采用油酸对其进行改性,改性纳米SiO_2与环氧树脂充分混合,加入丙烯酸单体,制得改性纳米SiO_2/环氧-丙烯酸酯复合材料。复合材料经透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)等表征和分析。实验结果表明,改性后的纳米SiO_2/环氧-丙烯酸酯复合材料的拉伸强度、冲击强度、拉伸模量等力学性能得以明显提高,当纳米SiO_2与环氧-丙烯酸酯复合材料的摩尔配比为3∶100时,改性纳米SiO_2/环氧-丙烯酸酯复合材料具有最佳的力学性能:冲击强度达到15.63kJ/m2,拉伸强度达到55.68MPa,拉伸模量达到3.67GPa;铅笔硬度达到2H、黏度明显提高达到125MPa·s;耐盐雾、耐水指标都有明显改善。     

纳米SiO_2/环氧树脂复合材料的制备方法与性能关系

采用超声分散、机械剪切搅拌和纳米SiO_2粒子表面处理等多种分散工艺,制备了纳米SiO_2/环氧树脂复合材料。采用SEM、电子拉力机、粘弹谱仪和脉冲声管测试系统分别研究了纳米SiO_2/环氧树脂复合材料的微观结构、拉伸性能、动态力学性能和水声性能。结果表明,超声波分散法以及预处理法能够将纳米SiO_2粒子均匀分散在环氧树脂基体中,并且SiO_2粒子呈纳米尺度分布在环氧基体中。相对纯环氧树脂材料,纳米SiO_2/环氧树脂复合材料的拉伸强度提高了5%—30%,伸长率提高了2%—14%;储能模量随纳米SiO_2粒子的加入与均匀分散而提高,损耗因子则略有下降;吸声系数相对纯环氧树脂材料提高了6—10倍;而且纳米SiO_2/环氧树脂复合材料的常规力学性能、动态力学性能以及水声性能受纳米粒子的分散效果影响明显,分散越均匀,变化越大。     

碳纤维增强银粉改性树脂复合材料的雷击损伤效应

针对碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料中树脂电阻大,在雷电流作用下会产生大量焦耳热造成雷击损伤的短板,探索通过增强基体的导电性来解决这一问题。为实现对CFRP复合材料的改性,在其环氧树脂浆料中加入了以Ag粉为主的导电填料,使改性CFRP复合材料层合板沿厚度方向的电导率提高217.30倍。采用不同峰值的单一雷电流D分量分别对改性及未改性CFRP复合材料层合板试件进行雷击损伤实验,通过损伤区域超声C扫描图像、试件残余温度场和仿真热解损伤的对比,分析基体改性对CFRP复合材料雷击损伤的防护机制。结果表明:通过Ag粉改性能有效提高CFRP复合材料层合板的电导率,且在厚度方向上的改性效果最佳;在峰值电流分别为20 kA、40 kA和60 kA的条件下,改性CFRP复合材料层合板的损伤面积分别下降87.28%、77.82%和88.59%,损伤深度分别增加147.06%、130.65%和119.72%;以损伤体积为最终指标,则Ag粉改性基体能有效降低CFRP复合材料的雷击损伤,其防护机制是通过减少雷电流作用下的高温区域面积和升温幅度来降低热解和爆炸冲击实现。      

功能化纳米SiO2改性环氧树脂复合材料及其摩擦磨损行为与机制

运用共价官能化技术,实现纳米SiO_2表面接枝3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)改性(T-SiO_2),并制备功能化纳米SiO_2改性环氧树脂复合材料(T-SiO_2/EP),分析改性后纳米SiO_2表面官能团和化学元素的变化规律,测试T-SiO_2/EP的主要力学性能,研究其在干摩擦条件下的摩擦磨损行为与机制。结果表明:功能化纳米SiO_2的引入,有效改善了环氧树脂的力学与摩擦学性能,且当功能化纳米SiO_2含量为2%时(质量分数,下同),环氧复合材料(2%T-SiO_2/EP)的显微硬度和断裂韧度均达到最大值(70.2HD和1.02MPa·m~(1/2)),并具有优异的减摩耐磨性能。干摩擦条件下,2%T-SiO_2/EP复合材料的摩擦因数和磨损失重分别为0.49和1.7mg,较纯环氧树脂分别降低了31.9%和34.6%,较未改性纳米SiO_2增强的环氧树脂复合材料(U-SiO_2/EP)分别降低了14%和10.5%,并对相应的磨损机理进行了分析。     

SiC粒子改性聚氨酯/环氧树脂复合材料性能研究

利用聚氨酯预聚体对环氧树脂(EP)进行改性制备聚氨酯/环氧树脂复合材料,再加入碳化硅(SiC)粒子作为无机填料对复合材料改性。结果表明:改性后的复合材料力学、耐磨、防腐等性能均得到了提高,当SiC粒子的加入量为复合材料的6%时,复合材料的冲击强度为24.28kJ/m2,拉伸强度为66.19MPa,均达到最大值,磨损量为0.083g,提高了耐磨性能,耐酸碱腐蚀性能达到最佳。     

环氧改性酚醛树脂纳米复合材料的制备及性能研究

为提高酚醛树脂(PF)的耐热性和韧性,拓宽其应用范围,采用环氧树脂(EP)和纳米二氧化硅(SiO_2)对酚醛树脂进行改性,研究环氧树脂和纳米粒子用量对酚醛树脂综合性能的影响。测试结果综合分析表明,在环氧树脂用量为20%(wt,质量分数),KH560用量为20%(wt,质量分数),纳米SiO_2用量为1%(wt,质量分数)条件下,环氧/纳米SiO_2改性酚醛树脂复合材料的聚合时间和软化点得到提高,热分解温度达到416.2℃,冲击强度达到7.49kJ/m~2,具有较好的性能。     

碳纤维/TiO2改性树脂复合材料的制备及力学性能

针对环氧树脂脆性大、与碳纤维形成的界面性能较差等问题,本文选用纳米TiO₂对5284环氧树脂进行改性,并以角联锁机织物为增强体制备了碳纤维/环氧树脂复合材料。使用FT-IR、旋转流变仪、表面张力仪等设备对TiO₂/环氧树脂进行表征,并研究了树脂改性对复合材料压缩与层间剪切性能的影响。研究表明：TiO₂的羟基与环氧树脂的环氧基和羟基发生了反应;经1wt.%TiO₂改性的树脂复数黏度为0.066 Pa·s,纤维与树脂间接触角为28.85°,浸润效果较好;相较于未改性复合材料,树脂改性的复合材料纵向压缩强度与模量分别提高了7.46%和11.03%,横向压缩强度与模量分别提高了6.99%和4.96%,纵向、横向的剪切强度分别提高了6.88%和4.65%。TiO₂改性环氧树脂提高了复合材料的承载能力,改善了界面结合强度。     

纳米Al2O3/聚醚砜-环氧树脂复合材料的介电性能及热稳定性能

本实验制备了纳米Al_2O_3/聚醚砜-环氧树脂复合材料,考察了不同纳米氧化铝和聚醚砜的用量对复合体系力学和介电性能的影响,并对其热稳定性能进行了研究。结果表明:当添加1phr纳米氧化铝(Nano-Al_2O_3)和5phr聚醚砜(PES)时,三元复合材料EP/5PES/1Al_2O_3的拉伸强度提高到58 MPa,断裂伸长率达到13%,冲击强度达到16.2kJ/m~2,相比纯环氧树脂分别提高了61.1%、20.3%和8.0%。而且在100Hz的室温测试条件下,EP/5PES/1Al_2O_3材料的介电常数和介电损耗分别达到7.6和0.016,较纯环氧树脂均有一定幅度的增加。热重分析(TG)结果表明,EP/5PES/1Al_2O_3复合材料的初始分解温度为358℃,比纯环氧树脂提高了14℃,说明热稳定性有较大幅度的提高。     

单螺栓修复对含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力的影响

开展了单钉修复对含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力影响的试验研究。测试了三种不同能量冲击后碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的压缩承载能力及失效模式,测定了单螺栓对碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力的修复效率,并借助数字图像相关技术(DIC)表征手段揭示了单螺栓修复对含冲击损伤结构失效行为的影响。结果表明:冲击后碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的压缩承载能力随着冲击能量的增加而降低,冲击损伤破坏了碳纤维/环氧树脂复合材料层合板结构的对称性,并导致结构在加载初期呈非对称的局部屈曲变形特征,局部屈曲诱发并加剧分层损伤扩展;单螺栓修复能有效恢复结构的整体对称性,在一定程度上抑制含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的局部屈曲,达到可观的修复效率。该研究为复合材料紧固件修理方案的制订及修理损伤容限的定义提供一定的指导意义。      

微纳米SiO_2/低密度聚乙烯复合材料的空间电荷性能

高压直流绝缘材料中空间电荷积聚限制了直流输电的发展。为探讨微米SiO_2、纳米SiO_2、微纳米SiO_2及制备工艺对SiO_2/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料空间电荷特性的影响。分别利用SEM、FTIR和DSC等对不同SiO_2/LDPE复合材料的微结构、结晶特性等进行了表征,利用热刺激电流(TSC)法研究其陷阱特性,通过电声脉冲(PEA)法研究其空间电荷特性。结果表明:SiO_2的引入使LDPE的晶粒尺寸减小,结晶度提高;SiO_2/LDPE复合材料的TSC曲线所包络面积增大,微米SiO_2的引入使TSC峰向低温方向偏移,而纳米SiO_2的引入使TSC峰向高温方向移动;SiO_2/LDPE复合材料表现出对空间电荷不同程度的抑制作用。微纳米SiO_2/LDPE复合材料的制备工艺对其性能有一定的影响,以母料形式制备微纳米SiO_2/LDPE复合材料时,其性能与后加入无机颗粒对应的SiO_2/LDPE复合材料更接近。     

高模量树脂基体及高抗压复合材料的研究

以高密度的环氧树脂 TDE-85作为基体,选择不同的固化剂,研制出了三种高模量高强度的树脂体系,并对其力学性能、微观结构、自由体积进行了研究。论文取得了如下创造性的研究成果:(1)制备了拉伸模量大于5.0GPa,压缩模量大于6.0GPa,拉伸强度大于80MPa 的树脂体系,并对其力学性能进行了测试,系统研究了模量与密度之间的关系,同时对其微观断口形貌进行了观察。(2)研究了高模量基体对玻璃纤维增强复合材料单向板各项性能的影响。结果表明,随着基体模量的提高,复合材料的拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、剪切性能显著提高。玻璃纤维复合材料的压缩强度达1337.5MPa,弯曲强度达2324.6MPa。(3)利用纳米材料 SiO_2、TiO_2、α-Al_2O_3、改性双酚 A 型环氧树脂,解决了纳米柱子均匀分散的技术难题。系统研究了纳米拉子对环氧树脂拉伸模量、强度、冲击韧性、热变形温度的影响。以纳米 SiO_2、高强玻璃纤维共同增强环氧树脂,制备了纳米纤维环氧树脂复合材料。这一研究在国内尚未见报道。(4)利用正电子淹没技术测试了自由体积,首次用实验验证了模量与自由体积的密切关系。对于 TDE-85/胺体系,在环氧基/胺摩尔比相同的条件下,浇铸体密度降低,自由体积的尺寸与浓度增大,浇铸体的模量与玻璃化温度降低。纳米粒子的加入,使自由体积尺寸增大,自由体积浓度降低,模量与玻璃化温度升高。     

磁热双重响应纳米Fe_3O_4/环氧树脂复合材料的形状记忆性能

以形状记忆环氧树脂EP5-60%为基体,掺杂改性磁性Fe_3O_4纳米粒子,制备了一系列磁和热双重响应纳米Fe_3O_4/环氧树脂形状记忆复合材料。红外测试表明,KH550成功改性了磁性Fe_3O_4纳米粒子,DSC测试确定热响应回复温度为80℃。当改性磁性Fe_3O_4纳米粒子质量分数为7%时,Fe_3O_4-7%/EP5-60%复合材料力学性能最佳,拉伸强度为29 MPa、断裂伸长率为37.3%。弯曲回复测试Fe_3O_4-7%/EP5-60%热响应形状记忆性能,其热响应形状记忆固定率(R_f)为99%,回复率(R_r)为97.9%。录像法记录Fe_3O_4-7%/EP5-60%磁响应形状回复过程时,25 min内能回复形变,磁响应回复率为93.3%。以上结果表明,利用Fe_3O_4纳米粒子的磁性,通过改性并控制好掺杂含量,可以制备性能较好的磁和热双重响应的纳米Fe_3O_4/环氧树脂形状记忆复合材料。     

基于电阻信号的CFRP纤维断裂识别实验及理论模型

碳纤维是决定CFRP复合材料性能的主要因素之一,因此为保证复合材料结构的健康状态、识别纤维的损伤与断裂就显得至为关键。文中通过加载电流并采集电阻信号的方式来识别CFRP复合材料中碳纤维的健康状态,通过实验和理论分析的方法进行了深入研究。实验针对2种不同铺层的试件进行测量:单向层合板[0]8和正交层合板[0/90]4。对试件端部进行了粘接铜箔处理以使试件稳定导电,使用KEITULEY2700数据采集仪测量试件电阻。实验内容包括静态电阻测量、拉伸受力状态下材料的电阻特性分析,并建立和推导了电阻-应变理论分析模型,进行了通电疲劳实验。研究结果表明,碳纤维的铺层角度对CFRP结构电阻有较大影响,[0]8铺层材料电导率和破坏强度约为[0/90]4铺层材料的2倍;CFRP材料受外载荷作用时,损伤程度与其电阻变化有对应的关系,其电阻信号变化可以作为反映材料损伤情况和识别纤维断裂的主要参数;实验结果与所建立的电阻-应变模型拟合结果吻合较好。文中研究的CFRP纤维断裂识别和航空复合材料结构健康监控及实时监测具有重要的意义。     

PET/SiO2纳米复合材料的研究进展

聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是一种应用广泛的工程塑料,为进一步提升材料性能以拓宽其工程应用领域,采用无机纳米二氧化硅(SiO_2)粒子填充改性已成为最为有效的途径之一。针对PET/SiO_2纳米复合材料,主要从纳米SiO_2表面改性、复合材料制备以及复合材料性能三方面综述其研究进展。在此基础上,对PET/SiO_2纳米复合材料的研究方向进行了展望。     

作为主受力构件的CFRP—最弱层设计思想的基础

1.碳纤维的高强度和高延伸率化 2.碳纤维高性能化与CFRP高性能化的关系 3.碳纤维的表面处理 (以上刊于1992年第九卷第4期) 4.高韧性基体树脂 CFRP的基体,从开发之初起就一直采用环氧树脂,但由于吸湿和高温下的压缩性能及受冲击损伤后的压缩性能作为设计容许值而受到了重视,所以除了环氧树脂的改性之外,研     

碳纤维和SiO2纳米颗粒增强环氧树脂复合材料的压缩性能

纤维增强聚合物复合材料的压缩性能与聚合物基体力学性质密切相关。本文利用连续碳纤维（CF）和含有均匀分散的SiO₂纳米颗粒改性的环氧树脂基体,制备了CF-nano SiO₂/Epoxy微纳米多相复合材料单向层合板,并对其轴向压缩性能进行了系统的研究。试验表明,将纳米颗粒引入基体能够有效提高纤维增强聚合物基复合材料的压缩强度,占nano SiO₂/Epoxy体积为8.7%的纳米颗粒可将复合材料的压缩强度提升约62.7%。基于单向层合板的弹塑性微屈曲模型对纳米颗粒的增强效应进行了理论分析。根据含纳米颗粒的环氧树脂在压缩过程中的损伤行为,提出了一套基于加卸载试验建立纳米复合材料基体压缩本构关系的方法。将模型获得的基体本构关系与经典复合材料弹塑性微屈曲模型耦合,能够较为准确地预测本研究制备的微纳米多相复合材料的压缩强度。经试验检验,预测结果与实测数值达到很好的一致性。      

硅溶胶改性处理对碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸性能的影响

用溶胶-凝胶法制备硅溶胶对碳纤维进行表面改性,观测了环氧树脂液滴在单向排列碳纤维集束表面的铺展过程;以环氧树脂为基体制备单向排列的碳纤维/环氧树脂复合材料,研究了硅溶胶改性处理碳纤维对其拉伸性能的影响。结果表明:碳纤维经过硅溶胶改性处理后,Si—o—Si,-NH₂等极性官能团的引入改善了环氧树脂对其的浸润性能,从而改善了碳纤维与环氧树脂间的界面粘结性能,使碳纤维/环氧树脂复合材料的横向拉伸强度显著改善,但纵向拉伸强度影响不大;与未经过表面处理的复合材料相比,经过硅溶胶改性处理的碳纤维/环氧树脂复合材料其横向拉伸强度提高了62.74%;与用硝酸处理的碳纤维制备的复合材料相比,用硝酸处理后再用硅溶胶处理的碳纤维所制备的复合材料,其横向拉伸强度提高了35.27%。     

纳米SiO_2/聚甲基丙烯酸甲酯透明复合材料的制备及透光率

首先利用γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)对纳米SiO_2进行表面改性(SiO_2-MPS),再通过原位聚合法在SiO_2-MPS表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。采用熔融共混法将未改性和改性SiO_2与PMMA共混制成预分散母料,再分别与PMMA熔融共混制备纳米SiO_2/PMMA透明复合材料。用FTIR、TG和SEM对不同表面处理的纳米SiO_2和纳米SiO_2/PMMA复合材料的结构进行表征,并对其冲击强度、接触角和透光率进行表征。结果表明:SiO_2-MPS/PMMA复合材料中纳米SiO_2与MPS、MPS与PMMA间形成化学键,接枝率分别达到10.01%和22.95%,SiO_2-MPS-PMMA在PMMA中分散性最好,团聚现象明显减少,与纯PMMA相比,SiO_2/PMMA、SiO_2-MPS/PMMA和SiO_2-MPS-PMMA/PMMA复合材料的冲击强度、与水接触角均略有提升,透光率达到90%左右,最高可达94.2%。