聚焦热点 展望未来——高性能纤维及复合材料国际论坛侧记

<正>高性能纤维主要包括碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。高性能纤维复合材料是以高性能纤维作为增强材料,树脂作为基体,通过加工成型得到的复合材料,具有质轻、高强高模、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、易加工成型等优异性能。近年来随着高性能纤维及复合材料在各个领域的扩大应用,相关产业在全球范围内得到了加速发展。     

熔融沉积纤维增强复合材料的研究进展

熔融沉积增材制造属于热塑性聚合物材料3D打印成型技术之一,具有原料广泛、制造成本低、个性化可定制等特点.随着制备工艺和技术的优化,近年来成型质量不断提高.同时,这种基于分层打印、逐层堆积的材料成型方式导致其力学强度偏低.发展适用于熔融沉积技术的纤维增强热塑性聚合物复合材料,利用纤维具有高比强度、高比模量的特性,可显著提高熔融沉积热塑性聚合物成型件的抗拉强度和拉伸模量等力学性能.然而,在熔融沉积纤维增强复合材料成型过程中,伴随着材料的流动与纤维取向、丝/层间结合、热量传导和残余应力等一系列复杂现象,明晰上述现象及其内在的关联性,是促进该技术应用和发展的关键.因此,近年来国内外研究者们主要从选择合适的纤维和优化制备工艺等方面不断尝试,并取得了丰硕的成果.用于熔融沉积纤维增强复合材料的纤维主要以短纤维和连续纤维两大类材料为主.短纤维复合材料发展较早、制备工艺相对简单;连续纤维复合材料成型件的力学性能相对较高.近年来,国内外研究者基于纤维增强复合材料的制备工艺、材料性能、成型机理等关键要素,聚焦于纤维含量、沉积角度、打印速度、喷嘴温度、层厚和化学助剂添加等工艺参数变化对成型件力学性能影响的相关研究,拟充分发挥纤维增强材料的技术优势,为制备较高力学性能和较好质量打印成型件提供可能.本文主要介绍了近年来国内外研究者在熔融沉积纤维增强复合材料方面的研究进展.从熔融沉积增材制造成型原理、纤维增强复合材料技术研究现状出发,介绍了短纤维和连续纤维增强复合材料的力学性能,以及工艺参数对增强复合材料力学性能的影响.最后,归纳了该技术仍存在的亟待解决的基础科学问题和关键技术问题,以及未来可能的研究方向.     

碳纤维增强聚醚砜的工艺、性能和断裂形貌研究

本文介绍了连续碳纤维增强聚醚砜复合材料(CF/PES)的制造工艺与性能.阐述了一种改进的连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的制造方法,给出了CF/PES复合材料的最佳模压成型工艺条件,制得了低孔隙率、高机械性能的复合材料.最后,分析了CF/PES的断裂模式和断口形貌.     

玻璃与碳纤维混杂增强复合材料3D打印与实验

本研究基于热塑性材料熔融沉积成型工艺,研制了双喷头连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构增材制造平台,制备了不同混杂比的纤维增强热塑性复合材料结构试件,分析了不同结构试件的弯曲力学性能与失效模式,探索了嵌入碳纤维智能层的混杂纤维增强热塑性复合材料的力阻行为。结果表明：比较纯热塑性材料结构件,玻璃纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了115.99%,碳纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了198.76%;玻璃纤维与碳纤维混杂增强复合材料结构件具有负弯曲强度混杂效应和正弯曲模量混杂效应。可根据碳纤维电阻相对变化率对混杂增强复合材料结构的应变与断裂破坏状态进行实时自感知。研究结果为连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构件的高质高效制造与智能化提供了新工艺与新思路。     

连续碳纤维复合材料热压成型工艺条件优化研究

以连续碳纤维为增强体,以聚酰胺(PA)为基体,运用平板硫化机热压成型的方法制备连续碳纤维增强热塑性复合材料。对热压温度、热压压力、热压时间和保温时间等成型工艺参数进行考察,通过正交试验设计,研究热压成型工艺参数对复合材料力学性能的影响并分析各参数的影响程度,确定了较优的生产工艺条件,从而具备制得高性能碳纤维复合材料的热压成型工艺条件。     

碳纳米管/镁基复合材料应用及发展研究

<正>生活中有许多常见的复合材料,传统的复合材料有钢筋混凝土、玻璃钢鱼竿、一体成型的鞋子、用于开关绝缘的合成树脂等。新型复合材料是具有更高性能的材料,具有比强度高、比模量高、密度低等特性,它包括用碳、芳纶、陶瓷等纤维和晶体等高性能增强体与耐热性好的热固性和热塑性树脂基构成的高性能聚合物复合材料。研究镁合金复合材料的实际应用具有重大意义。复合材料是应现代科学技术发     

连续纤维增强热塑性树脂基复合材料自动铺放原位成型技术的航空发展现状

基于自动铺丝手段,连续纤维增强热塑性树脂基复合材料可实现原位成型效果,即铺贴同时完成零件制造。该技术可降低复合材料成本达到50%以上,由于其高效低耗的技术特点,该技术被认为在航空领域具有广泛的应用前景。文章调研了热塑性复合材料原位成型技术在国内外航空领域相关的研究和应用工作。结合典型的技术开发案例,重点分析了目前原位成型技术在应用材料、装备及工艺控制技术等方面的水平现状,并阐述了原位成型技术的最新发展趋势。      

经编织物法制备连续纤维增强热塑性复合材料 的微观形貌和浸润过程分析

采用经编织物等温热压法制备了连续纤维增强GF/PP热塑性复合材料。用扫描电镜对不同工艺条件下的复合材料微观形貌进行了观察,研究了工艺条件对浸润状态的影响规律,分析了纤维的浸润过程和主要缺陷的产生原因,并给出了浸润过程的初步模型。实验结果表明,这种GF/PP经编织物在一定工艺条件下热压成型,热塑性基体熔体可较好地浸润纤维,并使纤维达到较为理想的分散状态,是制备连续纤维增强热塑性复合材料一种新的途径。      

高分子复合材料的进展——纤维增强树脂基复合材料(续) Ⅲ、纤维增强热塑性树脂复合材料最近的进展

本讲扼要地讨论了纤维增强热塑性树脂复合材料的特性,并概述了最近的发展及其前景;介绍了一些典型的及高性能的纤维增强热塑性树脂复合材料。     

面向3D打印的连续碳纤维上浆工艺及其对复合材料性能的影响

对连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTPCs)进行3D打印能够实现无模具快速制造,扩展增材制造的实际应用。为进一步提高3D打印连续碳纤维增强复合材料制件的性能,采用热塑性上浆剂对干碳纤维进行上浆处理,以尼龙6(PA6)为基体打印连续碳纤维增强复合材料,对比了上浆前后碳纤维表面性质及复合材料力学和界面性能。结果表明,上浆后碳纤维表面极性官能团增加,纤维与树脂浸润性改善;纤维表面粗糙度增加,纤维与树脂的机械结合力增强;上浆后碳纤维增强PA6复合材料较原始碳纤维增强PA6复合材料层间剪切强度提高42. 2%,层间结合增强,弯曲强度提高了82%,弯曲模量提高2. 46倍; 3D打印的上浆后碳纤维增强PA6复合材料试样断面上有明显纤维拔出现象,界面性能显著改善。     

高分子复合材料的进展——纤维增强树脂基复合材料(续) Ⅲ、纤维增强热塑性树脂复合材料最近的进展EI

本讲扼要地讨论了纤维增强热塑性树脂复合材料的特性,并概述了最近的发展及其前景;介绍了一些典型的及高性能的纤维增强热塑性树脂复合材料。     

基于自动铺放技术的热塑性复合材料原位固化成型研究进展:热传导行为及层间性能

纤维增强复合材料具有轻质、高强、性能可设计等特性,在减重、抗疲劳、耐腐蚀、维修性等方面明显优于传统金属材料,在航空航天、交通运输、国防等领域的应用越来越广泛,其中热塑性复合材料具有高韧性、高冲击性、无限储存周期、可回收利用等众多优点。复合材料自动铺放技术成型效率高、自动化程度高,特别适用于大尺寸和复杂构件的制造。同时,热塑性复合材料原位固化技术不断发展和进步,生产效率显著提高,生产成本降低,构件质量得以提升。因此,基于自动铺放技术的热塑性复合材料原位固化成型将会是未来大飞机主承力部件的重要成型方法。然而,热塑性复合材料铺放成型过程经历高温制造,伴随着热力学耦合等相关问题。对于原位固化方法,热源的选择颇为关键,将直接影响铺放成型的效果和效率。在铺放成型过程中,热塑性聚合物分子链受热发生流动,宏观上则是热塑性树脂发生从固态到熔融态再到固态的物理变化。整个成型过程持续时间较短,但又涉及一系列的物理变化,是一个非常复杂的过程,目前已成为国际上高性能热塑性复合材料的研究热点之一。热塑性复合材料纤维铺放成型常用的热源主要包括热空气、激光、超声波、电子束等。其中针对热空气的研究较早,建立了铺层内的热传导理论模型,就铺层基层中温度场展开了许多工作并取得了相应的成果。对激光加热成型获得的铺放构件的诸多研究表明,激光作为热源相比于热空气可以大幅提升层间性能。此外,学者们还提出了不同的理论模型来预测最终的熔合强度,但测试结果显示铺放构件的力学性能不及热压罐固化的构件,进一步的理论和实践探索仍然很有必要。本文主要聚焦基于预浸料自动铺放技术的热塑性复合材料原位固化成型工艺,从工艺过程中的热传导行为、铺层的性能指标两方面介绍或探讨了铺放工艺过程、热传递模型、原位固化热源、铺层间紧密接触度、熔合度及熔合强度等的研究现状。     

航天复合材料用低温固化改性环氧树脂体系的研究

0引言 连续碳纤维增强热塑性树脂改性环氧基体复合材料在航空材料领域具有广泛的应用。这类材料韧性好，耐热性优良（可耐150℃的高温），易加工，可作为纤维的预浸料，也可用于热压罐成型。一般地，这类复合材料在热压罐成型时都是使用高温固化（HTC）（如，〉180℃）来达到优异的性能。     

点阵增强夹芯结构吸声复合材料制备及性能研究

采用连续纤维增强吸声芯层,并利用真空辅助成型工艺整体成型了结构吸声复合材料。采用QT/25试验机测试了结构吸声复合材料的抗平压性能、弯曲刚度;采用脉冲声管测试系统测定了结构吸声复合材料水下吸声性能。试验结果表明,吸声芯层、复合材料面板与增强结构三者复合良好、无缺陷,验证了连续纤维增强吸声芯层以及真空辅助成型工艺整体成型结构吸声复合材料技术可行性。与同类型材料相比,含点阵增强结构的材料的平压性能提高了一个数量级,弯曲刚度提高了一倍,声学性能无明显变化。     

连续炭纤维增强杂萘联苯聚醚砜酮共混树脂基复合材料力学性能

为了研究树脂共混改性对连续炭纤维增强高性能热塑性树脂基复合材料性能及破坏模式的影响,以二氮杂萘联苯结构聚醚砜酮(PPESK)及其共混树脂为基体,T700 炭纤维为增强纤维,通过溶液预浸,热压成型工艺制备单向复合材料。通过对共混树脂溶液黏度测试,复合材料样条三点弯曲、层间剪切和孔隙率试验,并借助SEM断面形貌分析,研究了聚醚酰亚胺(PEI)和聚醚砜(PES)的加入对PPESK复合材料力学性能以及受力破坏模式的影响。结果表明,PEI或PES的加入使复合材料的力学性能提高,孔隙率降低,复合材料受力破坏模式由脱粘破坏向树脂基体内部破坏转变。      

碳纤维机织物增强热塑性树脂复合材料热冲压叠层模型

针对碳纤维增强热塑性树脂复合材料(CFRTP)在热冲压成型过程中涉及到大变形、各向异性和多场耦合的现象,为了表征CFRTP在成型中的力学特征,基于有限元方法与连续介质力学理论提出了一种热塑性树脂基体与碳纤维机织物的叠层模型。与单独采用碳纤维机织物超弹性本构模型预测CFRTP成型性能的方法相比,提出的叠层模型能够表征成型温度、压边力和纤维取向对CFRTP成型缺陷的影响,并能优化热冲压成型工艺参数。这一叠层模型具有简单实用和材料参数容易确定的优点,为碳纤维机织物增强热塑性树脂复合材料成型的数值模拟和成型工艺优化奠定了理论基础。     

低VOC麻纤维增强复合材料制备技术

麻纤维增强热塑性复合材料具有轻质、环保、耐冲击等特点,是极具附加值与潜力的材料。但传统麻纤维复合材料存在纤维分散不均、挥发性有机化合物(volatile organic compounds, VOC)大量释放等问题,制约了麻纤维复合材料的规模化应用。介绍了麻纤维固相共混热致复合的材料制备方法、麻纤维表面处理技术、麻纤维复合材料一步法制备技术、麻纤维热塑性复合材料一体化成型等制备工艺,并对天然麻纤维增强复合材料的规模化应用进行了展望。     

连续碳纤维增强热塑性复合材料的性能优势及应用举例

该文主要介绍碳纤维增强聚醚醚酮复合材料、碳纤维增强热塑性聚酰亚胺复合材料、碳纤维增强聚苯硫醚复合材料这3种典型的碳纤维增强热塑性复合材料的性能优势,并针对碳纤维增强热塑性复合材料在医疗等民用领域的实际应用情况,对比了连续性碳纤维增强的方式与短切及粉末碳纤维增强方式的效果差异。以连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料骨外科医疗部件为对象,对其耐磨性、生物相容性、耐高温性、X光射线透过性能分别加以说明。     

高性能纤维预成形体的研究进展

高性能纤维预成形体是先进复合材料的增强结构相.各种方式获得的纤维预成形体在复合材料成形工艺过程中起着十分重要的作用,影响着复合材料的成形和基体材料的浸渗,同时决定了复合材料制品的最终性能.从纤维预成形体的制备技术角度出发,介绍了机织、编织、针织、非织造等纤维预成形体的成形方法、结构特性,分析总结了各种纤维预成形体的研究现状和进展,提出高性能纤维预成型体需要进一步研究解决的关键问题.     

碳纤维增强聚醚醚酮复合材料研究进展

近年来,碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）,尤其是碳纤维/聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料以其优异的综合性能受到了大量关注。高性能碳纤维/聚醚醚酮复合材料具有强度大、韧性好、使用温度高等诸多优点,在航空航天、机械、电气、汽车工业和生物工程等领域得到了广泛的应用。针对近年的研究热点,对碳纤维/聚醚醚酮复合材料在界面性能、力学性能、生物相容性、成型工艺、失效机理等方面的研究进展进行了综述,为材料的制备技术研究及产业化应用奠定基础。