改性氧化石墨烯对环氧树脂基复合材料热膨胀系数影响的研究

环氧树脂(EP)热膨胀系数(CTE)为65×10~(-6)℃~(-1),碳纤维(CF)CTE为-12×10~(-6)℃~(-1),因此降低EP的CTE是提高碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料低温使用性能的关键。采用氧化石墨烯(GO)和四氧化三铁改性氧化石墨烯(Fe_3O_4-GO)修饰EP,研究了GO及Fe_3O_4-GO对EP基体CTE的影响。结果表明:由于Fe_3O_4-GO表面的官能团可与EP基体形成共价键,从而加强了与EP基体的界面作用;相对于纯EP,GO和Fe_3O_4-GO改性EP的玻璃化转变温度(Tg)分别升高了3.71℃和5.74℃;相对于纯EP,GO和Fe_3O_4-GO改性EP在Tg下的CTE值分别降低了23.77%和33.61%,但在Tg上的CTE值均高于纯EP。     

碳纳米管的表面改性对环氧树脂低温(77 K)冲击性能及热膨胀系数的影响

采用混酸氧化及表面接枝改性的方法制备了表面含不同官能团的多壁碳纳米管(MWCNTs), 并研究了不同MWCNTs对环氧树脂的低温(77 K)抗冲击性能及热膨胀系数(CTE)的影响。结果表明: 通过接枝反应将—NCO基团封端的PEO齐聚物引入MWCNTs表面, 可提高MWCNTs在环氧树脂基体中的分散性, 加强MWCNTs与环氧树脂的界面作用; 相对于纯环氧树脂, 添加质量分数为0.5%的纯MWCNTs、 氧化MWCNTs和表面接枝MWCNTs改性后的环氧树脂的低温冲击强度分别升高了10.27%、 26.13%和32.95%, 而CTE则分别降低了14.79%、 29.59%和40.29%。这表明表面接枝改性MWCNTs可明显提高环氧树脂基体的低温抗冲击性能并降低环氧树脂在玻璃化转变温度下的CTE。     

碳纳米管/碳纤维环氧树脂复合材料的制备及力学性能

对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行改性处理,得到表面接枝1,3,5-苯三甲酸的碳纳米管(B-MWCNTs)。分别将MWCNTs和B-MWCNTs分散在环氧树脂基体及上浆剂中,通过缠绕成型法制备含有MWCNTs的碳纤维增强环氧树脂预浸料,并采用热压成型工艺制备MWCNTs/碳纤维环氧树脂复合材料层合板。结果表明,B-MWCNTs在环氧树脂基体和上浆剂中的分散状态明显优于MWCNTs。添加B-MWCNTs后复合材料的玻璃化转变温度(Tg)和失重5%时对应的温度均有所提高。而且,添加B-MWCNTs可以明显提高碳纤维环氧树脂复合材料的力学性能。当MWCNTs含量为0.5%(质量分数)时,B-MWCNTs/碳纤维环氧树脂复合材料层合板的压缩强度、层间剪切强度和冲击后压缩强度(CAI)分别提高了14.3%,37.1%和23.4%。     

氧化石墨烯有序排列对碳纤维增强环氧树脂复合材料低温性能影响

为了提高碳纤维增强环氧树脂复合材料在低温(77 K)循环条件下的微裂纹抗性,文中采用共沉淀法制备了具有良好顺磁性的四氧化三铁/氧化石墨烯(Fe_3O_4/GO),采用红外光谱、X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等手段研究了Fe_3O_4/GO在环氧树脂基体中的有序排列对环氧树脂及碳纤维增强环氧树脂复合材料低温性能的影响。结果表明,Fe_3O_4/GO的有序排列可有效提高环氧树脂基体的低温力学性能及降低环氧树脂基体的热膨胀系数,并可明显改善碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料的低温微裂纹抗性;相对于纯环氧树脂,改性环氧树脂的热膨胀系数和低温环境下的微裂纹密度分别降低了36.5%和37.5%。     

多巴胺修饰氮化硼对环氧树脂复合材料性能的影响

通过多巴胺(DA)和聚乙烯亚胺(PEI)共沉积,在纳米氮化硼(BN)表面引入氨基和羟基等活性基团,增强BN与环氧树脂(EP)基体之间的应力载荷传递。采用热失重分析仪、傅里叶变换红外光谱(FTIR)仪、X射线光电子能谱(XPS)仪及场发射扫描电子显微镜(FSEM)表征了BN纳米片的结构和形貌,研究了其对环氧树脂拉伸强度、断裂韧性以及热稳定性的影响。结果表明,改性BN/DA-PEI纳米片的加入,提高了EP的热稳定性和动态力学性能;与纯EP相比,含有1%(质量分数) BN/DA-PEI的环氧树脂复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和临界应力强度因子(K_(IC))值分别提升了43. 3%、30. 8%和129. 7%; EP/BN-DA-PEI复合材料的初始储能模量比纯EP提高了1 063 MPa,玻璃化转变温度(T_g)从167℃升高到178℃。     

碳纳米管有序排列对碳纤维增强环氧树脂基复合材料低温性能的影响

为了提高碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料在低温(77K)循环条件下的抗微裂纹性能,采用共沉淀法制备了具有良好顺磁性的Fe_3O_4修饰氧化碳纳米管(Fe_3O_4-O—MWCNTs),并研究了Fe_3O_4-O—MWCNTs在环氧树脂(EP)基体中的有序排列对EP及CF/EP复合材料低温性能的影响。结果表明:Fe_3O_4-O—MWCNTs的有序排列可有效提高EP基体的低温力学性能及降低EP基体的热膨胀系数,相对于纯EP,Fe_3O_4-O—MWCNTs改性EP的热膨胀系数降低了41.6%;相对于CF/EP复合材料,Fe_3O_4-O—MWCNTs改性CF/EP复合材料在低温环境下的微裂纹密度降低了56.2%。     

形状记忆纤维增强复合材料的制备与性能研究

以具有形状记忆特性的改性环氧树脂为基体,通过对其进行纤维增强,制备了一种具有形状记忆特性的炭纤维复合材料.动态机械力学分析(DMA)结果表明,材料具有两个玻璃化转变温度,分别是132℃和223℃.材料的热变形温度确定为两个玻璃化转变温度之间,150℃.在此温度下,可实现材料的变形与回复.材料的形状记忆固定率和形状回复率...     

玻璃纤维增强新型结晶性聚酰胺

热塑性工程塑料包括结晶性树脂聚酰胺,聚甲醛,热塑性聚酯(PBT 和 PET),聚苯硫醚(PPS)和聚醚醚酮(PEEK)以及非结晶性树脂 ABS,聚苯乙烯,丙烯酸树脂,改性聚苯撑氧,聚碳酸酯,聚砜和聚醚酰亚胺等。大部份结晶性工程塑料的玻璃化转化温度(T_g)较低,但通过改变结晶度,可以用作结构材料。结晶性塑料的可使用温度范围,随着玻璃纤维增强显著地扩大,而     

碳纤维增强羟基磷灰石/环氧树脂复合材料的制备与力学性能

采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备了碳纤维增强环氧树脂以及碳纤维增强羟基磷灰石(HA)/环氧树脂两种复合材料，并测试了其力学性能。结果表明，RTM工艺可以基本保证环氧基体均匀浸入碳纤维织物内部。碳纤维增强HA，环氧复合材料的冲击韧性高于碳纤维增强环氧复合材料，而弯曲强度和弯曲模量低于碳纤维增强环氧复合材料。两种复合材料的弯曲强度远高于人体皮质骨，弯曲模量与皮质骨非常接近。动态力学分析(DMA)表明加入HA后，复合材料的贮存模量和内耗降低，玻璃化转变温度升高。     

聚丙烯酸酯改性环氧树脂的力学性能

通过丙烯酸乙酯(EA)和丙烯酸丁酯(BA)在环氧树脂中原位聚合,制备了聚丙烯酸酯改性的缩水甘油醚双酚A(DGEBA)-甲基四氢苯酐(MeTHPA)环氧树脂体系。原位聚合形成的聚丙烯酸酯在环氧树脂基体中形成"海-岛"结构。与纯环氧树脂基体相比,当丙烯酸酯质量分数为10%时,经PEA和PBA改性的聚丙烯酸酯/双酚A-MeTHPA体系的拉伸强度分别降低9.51%和4.00%,而拉伸弹性模量分别降低14.81%和9.52%;玻璃化温度变化不大;而冲击强度分别增加了26.5%和31.0%,断裂延伸率分别增加22.03%和30.07%,增韧效果明显。     

Micro-crack behavior of carbon fiber reinforced thermoplastic modified epoxy composites for cryogenic applications

Three different types of thermoplastics, poly(ether imide) (PEI), polycarbonate (PC), and poly(butylene terephthalate) (PBT) were used to modify epoxy for cryogenic applications. Carbon fiber reinforced thermoplastic modified epoxy composites were also prepared through vacuum-assisted resin transfer molding (RTM). Dynamic mechanical analysis (DMA) shows that the storage moduli of PEI, PC, and PBT modified epoxies are 30%, 21%, and 17% higher than that of the neat epoxy respectively. The impact strength of the modified epoxies at cryogenic temperature increases with increasing thermoplastic content up to 1.5 wt.% and then decreases for further loading (2.0 wt.%). The coefficient of thermal expansion (CTE) values of the PBT, PEI, and PC modified epoxies also decreased by 17.76%, 25.42%, and 30.15%, respectively, as compared with that of the neat epoxy. Optical microscopy image analysis suggests that the presence of PEI and PC in the carbon fiber reinforced epoxy composites can prevent the formation of micro-cracks. Therefore, both the PEI and PC were very effective in preventing micro-crack formation in the composites during thermal cycles at cryogenic condition due to their low CTE values and high impact strength.     

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。     

Multiscale fiber reinforced composites based on a carbon nanofiber/epoxy nanophased polymer matrix: Synthesis, mechanical, and thermomechanical behavior

Vacuum assisted resin infusion molding (VARIM) was used to produce multiscale fiber reinforced composites (M-FRCs) based on carbon nanofibers dispersed in an epoxy resin. Flexural, interlaminar shear strength (ILSS) and thermomechanical tests are presented for the 0.1 wt% and 1 wt% M-FRCs and compared with the neat fiber reinforced composites (FRCs). Flexural strength and modulus increased (16–20%) and (23–26%), respectively for the 0.1 wt% and 1 wt% M-FRCs when compared to the neat FRCs. ILSS properties increased (6% and 25%) for the 0.1 wt% and 1 wt% M-FRCs, respectively when compared to neat FRCs. The glass transition temperatures (T_g) of both M-FRC samples were 25 °C higher than the neat FRC. Coefficients of thermal expansion (CTE) of the M-FRC samples improved compared to the neat FRC. The improved T_g and CTE properties in the M-FRC samples are attributed to synergistic interactions between the CNF/PNC matrix and glass fibers.     

Improvements in mechanical properties of a carbon fiber epoxy composite using nanotube science and technology

Carbon fiber reinforced epoxy composite laminates, with strategically incorporated fluorine functionalized carbon nanotubes (f-CNTs) at 0.2, 0.3 and 0.5 weight percent (wt.%), are studied for improvements in tensile strength and stiffness and durability under both tension–tension (R = +0.1) and tension–compression (R = −0.1) cyclic loadings, and then compared to the neat (0.0 wt.% CNTs) composite laminate material. To develop the nanocomposite laminates, a spraying technology was used to deposit nanotubes on both sides of each four-harness satin weave carbon fiber fabric piece for the 12 ply laminate lay up. For these experimental studies the carbon fiber reinforced epoxy laminates were fabricated using a heated vacuum assisted resin transfer molding (H-VARTM®) method followed by a 2 soak curing cycle. The f-CNTs toughened the epoxy resin-fiber interfaces to mitigate the evolution of fiber/fabric-matrix interfacial cracking and delamination under both static and cyclic loadings. As a consequence, significant improvements in the mechanical properties of tensile strength, stiffness and resistance to failure due to cyclic loadings resulted for this carbon fiber reinforced epoxy composite laminate.     

基于多尺度数值模型的复合材料各向异性热膨胀系数预测

依据复合材料内部纤维在基体内的排布规律及层合板铺层特性,基于多尺度方法,建立单层板和层合板代表性体积单元(RVE)模型,施加相应的边界条件,预测单层板的热膨胀系数和工程常数,进而预测复合材料层合板各向异性的等效热膨胀系数。通过与实验数据对比发现,基于正六边形单层板RVE模型预测的热膨胀系数,相比理论预测值,整体更接近实验值,其中预测的单向T300/5208碳纤维增强环氧树脂基复合材料、P75/934碳纤维增强环氧树脂基复合材料和C6000/Pi碳纤维增强环氧树脂基复合材料的横向热膨胀系数与实验结果的误差分别只有3%、1%和2%;采用单层板RVE预测的单向ECR/Derakane 510C玻璃纤维增强乙烯基酯树脂基复合材料的工程常数与实验值最大相差7.5%;层合板RVE模型预测的正交AS4/8552碳纤维增强环氧树脂基复合材料厚度方向的热膨胀系数与实验结果误差可以忽略,只有0.08%。最后以大型复合结构常用的正交铺层结构为研究对象,基于给出的单层板和层合板RVE模型预测了不同铺层复合材料烟道层合板的等效热膨胀系数,环向铺层比例对厚度方向的热膨胀系数影响较小。      

不同湿热条件下碳纤维/环氧复合材料湿热性能实验研究

对比研究了环氧5228A树脂及碳纤维/环氧5228A树脂复合材料层合板在3种湿热环境(水煮、70℃水浸,70℃85%相对湿度)下的湿热性能,考察了湿热条件对复合材料层间剪切性能的影响规律,并从吸湿特性、物理化学特性、树脂力学性能、湿应力等方面分析了不同湿热环境下复合材料性能衰减的机制。研究表明,碳纤维/高温固化环氧树脂复合材料层间剪切性能主要是由吸湿率决定,相同吸湿率不同湿热条件下性能的下降幅度基本相同;3种湿热条件下该树脂及其复合材料未发生化学反应、微裂纹等不可逆变化,复合材料层合板湿热老化机制主要是吸入水分后基体增塑和树脂、纤维湿应变不一致导致的湿应力对复合材料性能的负面作用。     

Flutter of delaminated three-phase nano-composite beam-plates

ABSTRACT

In this article the supersonic flutter instability of delaminated carbon nanotube reinforced three-phase composite plate is investigated. The classical laminate plate theory and piston aerodynamic theory are developed to construct the governing equation of delaminated three-phase nano-composite plates. The effective material properties are obtained using Halpin-Tsai relation and rule of mixture. The effects of different parameters including carbon nanotubes (CNTs) weight percentage, fiber volume fraction, CNTs aspect ratio and different fiber orientation on flutter pressure of delaminated reinforced composite plates are considered. According to the results, appending small amount of CNTs (4% wt) into the matrix epoxy can improve the flutter critical pressure by 33% in comparison to the neat matrix epoxy.     

碳纤维增强复合材料中改性木质素的应用

目的 解决碳纤维增强环氧树脂复合材料中由双酚A合成的环氧树脂成本高、危害环境与健康、耐化学性差的问题,使木质素代替双酚A合成环氧树脂来制备碳纤维复合材料。方法 通过综述木质素在环氧树脂合成中的改性方法与合成方案的研究进展,分析碳纤维复合材料成型工艺的优缺点。结论 采用不同方法对木质素进行化学改性,可在降低成本的同时提高热稳定性与耐化学性等各项性能。用改性或降解木质素来合成碳纤维复合材料的环氧树脂基体为碳纤维增强材料的研究提供了新的研究方向,对碳纤维增强材料降低成本、提高性能和促进行业发展都具有积极作用。