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.     

吸湿后三维编织复合材料剪切性能研究

本文对三维四向编织复合材料和长碳纤维复合材料吸湿后的剪切性能进行了研究。从试验角度得到了吸湿对复合材料的剪切性能的影响规律。并对试件断口进行了扫描电镜观察，从微观角度对复合材料的破坏机制进行了分析。     

三维编织碳纤维复合材料电阻率的估算

从影响材料电阻率的主要因素——碳纤维体积分数入手,主要分析了材料的电阻率这一电气特性,根据材料表面测量的数据,估算出材料内部碳纤维的体积分数。再根据多个试件测量的数据,拟合出材料的碳纤维体积分数和电阻率的关系曲线。根据估算出的碳纤维体积分数,估算出材料的电阻率。利用三维编织碳纤维复合材料的编织角和花节长度,估算出材料的电阻率。根据材料的电阻率这一电气特性,便于以后对材料进行涡流无损检测分析。      

碳纤维增强水泥基复合材料屏蔽性能的研究

现代电子技术的迅速发展不可避免地带来了电磁辐射所造成的环境污染.选择合适的屏蔽材料,利用其反射、吸收、多层反射等功能是消除电磁污染的有效手段.碳纤维除具有高弹性、高模量、低密度、耐腐蚀等优良性能被当作许多复合材料的增强体外,还具有良好的导电性,将其加入到水泥基体中制成碳纤维增强水泥基复合材料(CFRC),不仅使水泥自身力学性能得到改善,而且可作为防止电磁辐射或核辐射的优良屏蔽体.     

三维编织复合材料的疲劳性能

研究了三维编织复合材料的疲劳性能和编织结构对疲劳性能的影响。进行了应力比为011 、实验频率为10 Hz 的拉2拉疲劳性能测试。结果表明, 三维编织复合材料的疲劳强度约为其抗拉强度的60 %～80 % , 比金属材料的疲劳强度的相对值高。编织角是影响三维编织结构复合材料疲劳性能的一个主要因素。随着编织角的增大, 疲劳过程中易出现各种损伤, 而且伴随明显的升温现象。编织角大的试件在疲劳实验过程中模量变化明显, 并且呈现逐渐升高的趋势, 这与金属材料的双模量变化规律不同。在疲劳次数为100 万次后, 试件的剩余强度高于静载拉伸强度, 这主要是由于在疲劳测试过程中, 试件内编织纱线的取向更接近受力方向所致。      

立体多向编织结构对复合材料性能的影响

本文采用1×1,1×2和1×3三种不同的编织结构对轴向增强和非增强三维多向编织复合材料的性能进行了研究。对编织复合材料的拉伸强度、刚度和弯曲强度、刚度进行了实验分析。结果表明;三维编织复合材料具有良好的性能。编织结构对复合材料性能有较大的影响。纤维表面编织角和纤维体积比是影响复合材料性能的重要结构参数。通过轴向加入非编织增强纤维,使编织复合材料的拉伸强度和模量,弯曲强度和模量有了较大改善。      

T型编织复合材料的制备及弯曲性能研究

以玻璃纤维为原料,采用全自动模块组合旋转法三维编织平台制备三维四向T型、三维五向T型、三维全五向T型及相同体积分数的三维全五向方形编织预制件,并将其分别与环氧树脂基体复合,制备三维编织复合材料。借助Instron万能材料试验机测试上述4种材料的弯曲性能,探讨材料发生弯曲破坏的机理。结果表明,三维全五向T型编织复合材料的抗弯性能最好,三维四向T型编织复合材料的抗弯性能最差;三维全五向T型编织复合材料比相同体积分数的三维全五向方形编织预制件抗弯能力强。     

三维编织复合材料拉伸性能试验研究

制定了一套适用于测定三维编织复合材料拉伸性能的试验方法，并结合试验数据，总结了编织参数与三维编织复合材料拉伸性能的关系。     

三维五向编织复合材料中纱线截面形状实验分析

采用CCD显微摄像仪获取了树脂基三维五向编织复合材料的一系列截面图像, 分析了编织复合材料内纱线的排列规律及其截面形状的变化。实验结果显示: 沿编织成型方向, 三维五向编织复合材料的不同横截面内纱线的排列方式不同, 且呈周期性变化; 编织纱线的截面形状近似为扁平的凸透镜形; 第5向不动纱的轴线基本保持伸直, 其截面形状沿其轴向近似为扇形和三角形相互过渡变化; 表面编织纱线的排列方式与内部编织纱线的排列有关, 其截面形状近似为椭圆形。     

碳纤维编织复合材料层合板抗侵彻性能研究

通过弹道冲击实验开展了碳纤维编织复合材料层合板的抗侵彻性能研究,进行了动态响应分析和损伤模式分析。建立了基于Hashin失效和Yeh分层失效准则的渐进损伤模型,运用ABAQUS有限元软件模拟了碳纤维编织复合材料层合板的侵彻失效过程,采用Lambert-Jonas公式拟合了柱状弹侵彻层合板弹道极限曲线,对比分析了碳纤维编织复合材料层合板侵彻实验与数值模拟的弹道极限速度及损伤形貌。结果表明,层合板侵彻损伤模式主要为分层、纤维断裂和基体开裂失效,弹道极限速度数值模拟结果与实验结果吻合较好。     

碳纤维表面生长碳纳米管及其增强复合材料性能的研究

通过电化学阳极氧化法改性碳纤维表面,利用浸渍法在连续的碳纤维表面加载了均匀的催化剂前驱体涂层,并通过化学气相沉积法(CVD)在碳纤维表面催化生长了均匀、规整的碳纳米管。利用场发射扫描电镜(FESEM)研究了电化学氧化电流强度对碳纤维表面加载催化剂颗粒的形貌与碳纤维表面催化生长碳纳米管形貌的影响,发现最佳的电化学氧化电流强度为0.4 A;Co作为催化剂时,500℃气相沉积10min后制备的复合材料层间剪切强度与未做任何处理的碳纤维及脱浆后的碳纤维作为增强体时相比,分别提高了11.0%与26.5%。     

Electromagnetic shielding effectiveness of thin film with composite carbon nanotubes and stainless steel fibers

Using the polymer blending method, conductive materials and waterborne polyurethane (WPU) were mixed to fabricate conductive composite films for application in electromagnetic shielding. First, nitric acid was used to purify the multi-walled carbon nanotubes (MWCNT). Second, sodium dodecyl sulfate (SDS) was utilized to disperse the carbon nanotubes, and then they were mixed with 8 microm diameter and 2 mm long stainless steel fibers (SSF) in the WPU by the polymer blending method. Finally, the thickness of 0.25 mm of conductive composite film was fabricated by means of coating. According to the ASTM D4935-99 standard, a coaxial transmission line was used to measure the electromagnetic shielding effectiveness (EMSE) of conductive composite film within the range of 50 MHz approximately 3.0 GHz. Moreover, the influence of the prior and posterior dispersion of carbon nanotubes dispersed on electromagnetic shielding was dealt with in the paper. Results demonstrated that the conductive composite film, within 50 MHz approximately 3.0 GHz, fabricated by the 15 wt% of the multi-walled carbon nanotubes and 30 wt% of the stainless steel fibers can achieve the maximum of the electromagnetic shielding effectiveness, 34.86 dB, and its shielding effect, 99.9%.     

Preparation and characterization of poly(3-octylthiophene)/carbon fiber thermoelectric composite materials

Poly(3-alkylthiophene) (P3AT) with a high Seebeck coefficient has recently been reported. However, P3AT/inorganic conductive composites exhibit relatively poor thermoelectric performance because of their low electrical conductivity. In this work, carbon fiber sheets with a high electrical conductivity were chosen as the inorganic phase, and poly(3-octylthiophene)(P3OT)/carbon fiber composites were prepared by casting P3OT solution onto the carbon fiber sheets. The carbon fiber sheets incorporated into the composites can provide good electrical conductivity, and P3OT can provide a high Seebeck coefficient. The highest power factor of 7.05 μW m⁻¹ K⁻² was obtained for the composite with 50 wt% P3OT. This work suggests a promising method for preparing large-scale thermoelectric composites with excellent properties.     

基于连续碳纤维3D打印的结构拓扑优化及工艺研究

本文利用3D打印技术制备了“椭圆形跑道”样件来研究不同纤维角度和纤维层分布对样件机械性能的影响,并通过实验考察各种力学测试中样件的断裂模式。然后基于变密度的拓扑优化理论对三点弯曲梁、C形夹和弹架悬臂进行结构拓扑优化,并通过力学性能实验进行验证。结果表明,在所有的测试中都观察到样件具有各向异性的机械性能,其中纤维方向具有最高的强度和刚度,而跨层方向具有较低的强度和刚度。通过有限元分析和压缩试验表明,经过拓扑优化的连续碳纤维3D打印弹架悬臂结构能够经受住极端运行条件的考验。     

纳米孔聚丙烯酸-活性炭复合材料的制备及吸附性能研究

首先制备出高比表面积(1000m2/g)、平均孔径在50nm的稻壳基活性炭为无机相,聚丙烯酸为有机相,制备纳米孔聚丙烯酸-活性炭复合材料,并测试其对氯噻酮的吸附.发现使氯噻酮达到最大吸附值约320cm3/g的实验参数是聚丙烯酸与活性炭质量比在1:1左右,用超声波振荡仪振荡20h,在75℃聚合反应12h,用氯仿洗涤去除未反应单体,80℃烘干10h.这种纳米孔聚合物-无机复合材料结合两者优点,在医药领域和污水净化处理等方面具有广阔的应用前景.     

碳纤维改性PTFE密封材料制备技术研究

以碳纤维为增强材料,采用冷压成型和自由烧结工艺制备改性聚四氟乙烯(PTFE)密封复合材料。通过制备工艺的实验研究,详细分析了混料工艺,得出:最佳的添料次数为4次,搅拌时间约10min;碳纤维粉对复合材料的抗拉强度有削弱作用,短碳纤维提高复合材料的抗拉强度;等离子表面处理法对复合材料的抗拉强度提高最好。     

炭纤维网布/螺旋碳纤维复合材料制备及电磁性能研究

以炭纤维网布为基体,通过电镀工艺在炭纤维网布上形成Ni催化剂膜,采用化学气相沉积方法原位合成炭纤维网布/螺旋纳米碳纤维复合材料,采用扫描电镜(SEM)、Raman光谱和X射线衍射仪(XRD)对生长的螺旋纳米碳纤维的形态和结构进行表征。考察主要反应因素—温度对螺旋纳米碳纤维生长的影响,并就生长过程进行了讨论;对其制备出的炭纤维网布/螺旋纳米碳纤维复合材料在8.2～12.4GHz频段的电磁性能进行分析,考察其吸波性能。结果表明制备出的炭纤维网布/螺旋纳米碳纤维复合材料比单一的螺旋纳米碳纤维具有更高的电磁损耗角正切,电损耗正切值由0.7提高到3.8,表明复合材料具有较好的吸波性能。     

Preparation of continuous carbon nanotube networks in carbon fiber/epoxy composite

In order to optimize carbon nanotube (CNT) dispersion state in fiber/epoxy composite, a novel kind of CNT organization form of continuous networks was designed. The present work mainly discussed the feasibility of preparing continuous CNT networks in composite: Fiber fabric was immersed into CNT aqueous solution (containing dispersant) followed by freeze drying and pyrolysis process, prior to epoxy infusion. The morphologies of fabric with CNTs were observed by Scanning Electron Microscope. The relationship between CNT networks and flowing epoxy resin was studied. Properties of composite, including out-of-plane electrical conductivity and interlaminar shear strength (ILSS), were measured. The results demonstrated that continuous and porous CNT networks formed by entangled CNTs could be assembled in fiber fabric. Most part of them were preserved in composite due to the robustness of network structures. The preserved CNT networks significantly improved out-of-plane electrical conductivity, and also have an effect on ILSS value.     

聚砜纳米纤维增韧CFRP的制备及性能

介绍了一种聚砜纳米纤维增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的新方法。无规取向的纳米纤维通过静电纺丝直接将纳米纤维接收于碳纤维/环氧树脂预浸布上,实现增韧复合材料的目的。探讨了混合溶剂(丙酮、DMAC)配比和聚砜纺丝溶液浓度对纳米纤维直径及分布的影响,测试了不同含量的聚砜纳米纤维增韧复合材料的型层间断裂韧性（G_ⅡC）,并同相等含量的聚砜溶剂法膜增韧复合材料性能进行了比较。在聚砜质量分数分别为1%、3%、5%的情况下,纳米纤维增韧复合材料的G_ⅡC分别增加54%、130%、177%,高于溶剂法膜增韧的复合材料。微观结构照片表明,纳米纤维增韧复合材料中,相分离后的聚砜小球贯穿于整个复合材料层间,而且呈现无规取向分布的海岛结构。增韧后复合材料的层间剪切强度（ILSS）都有略微的减小,溶剂法膜增韧后ILSS减小更明显。DMTA试验表明,与溶剂法膜相比较,纳米纤维与环氧树脂基体的相容性更好。