热处理温度对炭／炭复合材料性能的影响

对同一种炭／炭复合材料，经过不同温度的最终热处理后的微观结构、石墨化度和抗弯强度进行了对比研究．研究结果表明：随着最终热处理温度的升高，在偏振光下，易石墨化的热解炭光学活性增强，而难石墨化的热解炭微观结构几乎没有变化；炭／炭复合材料的晶粒逐渐长大，层面间距逐渐缩小，石墨化度有较大幅度的提高；同时，由于基体炭与炭纤堆的热膨胀系数存在差别，随着热处理温度的升高，基体与增强纤维的的结合强度降低，使炭／炭复合材料的抗弯强度降低，但材料的应变性增强，材料的断裂形式由脆断转为假塑性断裂.     

石墨化度对炭／炭复合材料力学性能的影响

通过三点弯曲试验,并借助SEM断口形貌分析,研究了石墨化度对炭／炭复合材料抗弯强度的影响,对其断裂机制进行了探讨。试验所用材料的基体为沥青浸渍炭＋少量CVD炭,增强体炭纤维由乱短纤维和成束长纤维织成的炭布构成,长纤维沿X－Y平面分层铺开,长纤维层之间是随机分布的乱短纤维层。研究结果表明：当石墨化度不同时,复合材料的断裂机制不同;在所研究的石墨化度范围28.4%-77.3%内,随着石墨化度的提高,材料的抗弯强度呈现加速下降的趋势;当石墨化度为77.3%时,材料的抗弯强度仅为石墨化度为28．4％时的60％。在石墨化度较低（如27．4％和56．8％）时,材料中的长纤维呈现以拔出机制为主,裂纹沿长纤维束层与乱短纤维层之间的界面传播;在石墨化度较高（如70．6％和77．3％）时,材料中的长纤维被横向切断,裂纹切过长纤维向前传播。这对炭／炭复合材料的研究、开发具有指导意义。     

多向编织炭/炭的复合材料烧蚀性能

利用以星型交流电弧加热器为核心的地面模拟系统对三维5D编织炭/炭复合材料的烧蚀行为进行了考核,通过对材料烧蚀表面温度、形貌的在线实时监测及烧蚀后微观结构的观察,研究了该类材料的烧蚀行为.研究发现:三维5D编织炭/炭复合材料的烧蚀是热化学烧蚀和机械剥蚀的综合作用,构件边缘区域以机械剥蚀为主,中心区域表现为热化学烧蚀和机械剥蚀相互耦合,没有明确的分界;基体炭与炭纤维的抗烧蚀性能相差较大,炭纤维的抗热化学烧蚀性能、抗机械剥蚀性能明显高于基体炭,烧蚀后试件烧蚀表面仅剩下凸起的纤维束骨架结构;三维5D编织炭/炭复合材料的烧蚀性能表现出较强的各向异性,在轴向体现为单根纤维失去周围基体支持而发生剥离,抗烧蚀性能相比较好;在径向体现为烧蚀表面脱层,抗烧蚀性能相比较差.     

液相法制备炭／炭复合材料的显微结构

采用光学显微镜和扫描电子显微镜对用液相法制备的3种单向纤维增强炭／炭复合材料的显微结构进行了观察和分析，这3种炭／炭复合材料分别采用纯沥青作基体和沥青加焦炭粉、树脂加焦炭粉作预浸初基体制得，在热压成形初坯体内，收缩的微裂纹沿纤维轴向与外界相通，可被再浸渍填充，而孔洞则大多与外界隔绝，不能被再浸渍填充，实验结果表明：集炭填充料的添加改变了复合材料的显微结构，可调整炭／炭复合材料的纤料的纤维体积分数，减少气孔的形成，有利于再浸渍致密化；它还扰乱基体状结构组织，导致其焦炭粉颗粒呈紊乱状态。     

热解碳结构对炭／炭复合材料摩擦磨损性能的影响

通过控制化学气相沉积工艺条件，得到粗糙层，光滑层，过渡结构，各向同性等几种具有不同微观结构的热解炭，通过金相观察，石墨化度，摩擦磨损性能的测试，得出：热解碳的微观结构对炭／炭复合材料的摩擦损性能有较大影响；制动过程中形成的薄膜使摩擦因数降低，粗糙层结构的炭／炭复合材料石墨化程度高，摩擦因数高，线型平稳，且随着压力的增加，其力矩上升明显，是一种优良的摩擦材料，光滑层结构的炭／炭复合材料石墨化度低，摩擦因数低，磨损小。     

玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的低温性能研究

对S玻璃纤维和E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的常温和低温力学性能进行实验,结果表明：玻纤／环氧树脂单向复合材料力学性能随着纤维含量增加而增强,当纤维体积含量为50％时,复合材料具有较好的综合力学性能,且复合材料的强度随着温度的降低呈增加趋势。当温度降到76K时材料的强度达到最高值,S玻纤／环氧复合材料的拉伸强度最高值可达2．1GPa;E玻纤／环氧复合材料的最大拉伸强度也达到1．4GPa。其原因是由于低温下玻璃纤维的横向收缩比树脂基体小,界面摩擦力得到增强,从而获得高的界面粘接强度。     

RTM工艺制备碳纤维复合材料的力学性能

本文选用树脂传递模塑成型(RTM)工艺制备(3K-T300,3312)碳纤维/环氧树脂复合材料,分别采用拉伸实验和弯曲实验研究复合材料的力学性能;并对样件的拉伸断口进行SEM观察,分析其失效形式。结果表明:碳纤维/环氧树脂复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别为459.17MPa和576.82MPa;断口微观形貌表明环氧树脂充分浸润到碳纤维编织布层状界面和丝束之间的界面中,断口中碳纤维和环氧树脂脆性断裂以及碳纤维与环氧树脂界面裂纹萌生扩展并断裂是试样失效的机制,说明RTM具有较好的工艺应用性。     

炭／炭复合材料的摩擦磨损性能

选取由CVD预增密至一定密度，再进行树脂浸渍／炭化补充增密至1.85g/cm^3的炭／炭复合材料作摩擦环试样。测试了该试样在一系列刹车速度时的摩擦磨损性能，并对其摩擦面及磨屑进行了SEM,观察对摩擦面进行显微喇曼光谱分析。研究结果表明：炭／炭复合材料的摩擦磨损性能随刹车速度的变化而发生显著变化，在10m/s时出现最高峰，在25m/s出现亚高峰；磨损量随刹车速度的增加而增加，而氧化磨损在刹车速度为25m/s时开始大量产生，在28m/s时达最大值，其摩擦表面形貌，结构及磨屑亦有较大差别。刹车速度从5m/s升至20m/s，摩擦面石墨化度降低，石墨结构向无定型碳结构转变，但在高速时石墨化度反而升高，无定型碳结构又向石墨结构转变。     

全金属组元铁基块体非晶的制备与性能研究

3D打印成型碳纤维接枝碳纳米管增强热塑性复合材料的强度提高

王婼楠¹，吴海宏^1，2，郭子月³，刘春太²，申长雨²

（1. 河南工业大学 机电工程学院，郑州450001; 2.郑州大学 橡塑模具国家工程研究中心，郑州450002; 3.中山大学 数学学院（珠海）,珠海519082）

创新点说明：

1) 研究了碳纤维定量接枝碳纳米管对热塑性复合材料的界面性能及拉伸性能的影响。

2) 用3D打印模压成型的工艺方法制备了热塑性复合材料。

研究目的：

研究碳纤维表面接枝不同含量的碳纳米管对复合材料微观结构、界面性能和力学性能的影响。

研究方法：

1) 采用溶液法，通过控制碳纳米管接枝反应时间，制备不同含量碳纳米管接枝碳纤维，然后用硝酸刻蚀法，去除残留溶剂，验证了碳纳米管接枝的可靠性。用扫描电镜观察碳纤维的微观形貌，用FTIR测试碳纤维表面官能团并用XPS对碳纤维的表面官能团进行分析。

2) 用扫描电镜观察碳纤维与基体的结合情况并用接触角测量仪测试碳纤维与基体的接触角。

3) 通过 3D打印成型法成型了热塑性复合材料样条，并用扫描电镜观察碳纤维热塑性复合材料的界面微观形貌。

4) 采用万能试验机测试3D打印成型热塑性碳纤维复合材料的拉伸性能，并观察复合材料断口形貌。

结果：

1) 溶液法.扫描电镜观察发现碳纳米管在碳纤维表面均匀分布，表明碳纤维与碳纳米管之间存在较强的键合关系。但随着接枝时间的增加，碳纤维表面的碳纳米管含量逐渐增加，但达到0.4%时，出现分散不均匀现象。碳纤维表面含有上浆剂和去掉上浆剂的对比发现，无上浆剂的碳纤维表面沟壑明显，这些沟槽可以增加碳纤维的比表面积和表面能，增强了基体与碳纤维的机械相互作用。用FTIR测试碳纤维表面官能团并用XPS对碳纤维的表面官能团进行分析，结果表明，经偶联剂改性后，C=O键含量明显增加，碳纤维表面引入含氧官能团。C1，O1S峰增强，表明碳纳米管接枝到了碳纤维表面。

2) 扫描电镜结果表明，与表面未接枝碳纳米管的碳纤维相比，接枝碳纳米管的碳纤维与基体PA6具有更好的润湿性。接触角测试结果对比发现，接枝碳纳米管的碳纤维与基体的接触角，明显小于未接枝碳纳米管的。

3) 通过扫描电镜观察复合材料的界面微观形貌，结果表明：纤维与基体之间存在一定厚度的界面层，界面层的存在可以减轻纤维与基体之间的力学性能突变引起的应力集中，并防止界面缺陷的扩展。

4）界面结合强度测试结果表明，当碳纳米管的质量分数增加到0.25%时，复合材料的界面结合强度比未接枝碳纳米管的碳纤维增强的PA6复合材料提高了20%，比表面有环氧的碳纤维复合材料提高了41.8%。然而当碳纳米管含量大于0.4%时，界面结合强度不再继续增加。力学测试表明碳纳米管含量为0.25%的复合材料具有最高的平均模量、拉伸强度和界面剪切强度。接枝碳纳米管的碳纤维复合材料断口形貌可以观察到界面处基体中的韧窝。表明基体树脂在拔出纤维前经历了较大的塑性变形，表明纤维与基体有很好结合性。

结论：

实验结果表明，碳纳米管可以提高表面的润湿性和CF表面粗糙度。碳纳米管接枝碳纤维增强PA6与环氧上浆的碳纤维复合材料相比，当碳纳米管的质量分数达到0.25%时，复合材料的界面结合强度增加了41.8%，拉伸强度提高了130%，界面剪切强度提高了238%。然而，随着碳纳米管含量的继续增加到0.4%时，界面结合强度和力学性能就会下降。

关键词：热塑性复合材料，界面结合强度，界面剪切强度，3D打印成型

     

不同制动速度下针刺毡炭／炭复合材料的磨擦磨损行为

用模拟刹车制动的磨擦试验机,研究了1种针刺毡结构炭／炭复合材料在不同制动速度下的磨擦磨损性能,并在光学显微镜下直接对磨擦表面进行了观察和分析。研究结果表明：在制动速度为5m/s或静态条件下,针刺毡炭／炭复合材料的磨擦因数很低,但在制动速度为10m/s、能量较小时磨擦因数出现了峰值;在制动速度升高到20m/s后,磨擦因数较高且随刹车速度变化趋于稳定,显示出优良的高能高温制动性能;只要制动速度不是极高（如28m/s）,这种材料均具有很好的抗磨损性能,其中磨损量在制动速度为15m/s时达到最大值,该制动速度对应于飞机进出场滑行制动速度;磨擦表面微观结构及氧化状况取决于制动条件的影响,炭磨屑和基体炭在制动过程中会优先氧化。     

半固态挤压SiCp/2024复合材料的组织性能研究及缺陷分析

采用粉末混合－半固态挤压工艺制备SiCp/2024复合材料棒材,对其微观组织、力学性能和断口形貌进行了分析。SEM电镜观察结果表明,该工艺能够制得SiC颗粒分布均匀、基体组织致密、界面结合良好的复合材料棒材。采用Instron材料实验机对复合材料力学性能进行测试,结果表明,其力学性能与基体合金相比有较大提高,复合材料的塑性相对较高。同时,对挤压棒材的表面裂纹的形成原因进行了力学分析。     

指尖密封用炭-炭复合材料摩擦磨损性能

为确定指尖密封用炭-炭(炭纤维增强炭基体)复合材料的摩擦学性能,针对指尖密封的轻载使用条件,应用UMT-2摩擦磨损测试仪进行炭-炭复合材料摩擦磨损性能试验,测量摩擦系数与磨损率,并采用扫描电子显微镜(SEM)分析材料的摩擦磨损机理.结果表明,无纬布层垂直于摩擦平面时,材料的摩擦系数和磨损率较低.载荷增加,较高密度材料的磨损率增加缓慢,摩擦系数减小.与载荷相比,材料磨损率受频率的影响较小,且随频率升高摩擦磨损性能越好.磨损表面的SEM分析表明:低频、低载条件下材料发生磨粒磨损;频率的提高加快磨屑膜的成形,自润滑能力增强;载荷的增加虽使磨屑快速被挤压形成磨屑膜,但磨屑膜被不断挤出剥落,纤维裸露断裂产生严重磨损,这一点在材料密度较低时表现更为显著.选用较高密度的材料以及布置无纬布层垂直于摩擦平面可以有效缓解密封材料的磨损.     

多层复合材料界面性能的新评价法

使用纤维／树脂界面的复合材料试验片．来评价纤维增强复合材料的界面性能，首先利用边界无法对该试验一片进行受力分析，得到该试验一片具有Ⅰ型裂纹或Ⅰ，Ⅱ型复合裂纹的应力分布。再用边界元解析法求得正则化应力强度因子与裂纹长的关系，从而求得几何形状函数、结合实验数据，可定量评价复合材料各种界面的性能。     

热处理对3D C/C复合材料断裂行为的影响

采用3D炭纤维预制体,以丙烯作为碳源,氮气作为载气,利用自制的快速CVI炉制备了C/C复合材料。详细分析了不同CVI工艺下,热处理对C/C复合材料断裂强度、断裂方式以及材料均匀性的影响。力学性能测试结果表明,材料的弯曲断裂特征与制备过程中受到的高温热处理次数有关。与1次连续CVI工艺相比,多阶段连续CVI工艺下,C/C复合材料经过2次"CVI-热处理"循环工艺后,其密度达1.8 g/cm3,抗弯强度达196.69 MPa,断裂方式为假塑性断裂,材料在Weibull概率分布下强度分散性较小。     

BMI原位复合材料的研究

以BMI为基本组分,将原位复合材料用于BMI树脂的增韧,制备了BMI原位复合材料即RSM／PIO／BMI体系。详细研究了RSM／MIO／BMI未固化体系的反应性和固化树脂的力学性能、耐热性,用扫描电镜对固化树脂的断口形貌进行分析。结果表明,固化树脂宏观上呈现半透明状,微观上具有微纤维结构存在于基体聚合物中,正是由于这种特殊的增韧相结构的存在,导致改性RSM／PIO／BMI体系具有良好的抗冲击性能,冲击强度为17.6kJ/m^2。     

SiO2纳米粒子增强改性聚乙烯力学性能的研究

以不同比例的SiO2纳米粒子与mLLDPE／LDPE基材进行熔融共混所获得的复合材料为研究对象,力学性能测试和SEM、TEM观察照片研究结果表明：当使用经处理的2％SiO2纳米粒子时,其复合材料力学性能达到最佳值;与纯mLLDPE／LDPE相比,拉伸强度、断裂伸长率分别提升了13．7MPa和174．9％,表明了SiO2无机纳米粒子被分散于基材中,与基材形成牢固的界面结合,与基体树脂之间的链段发生缠结,形成了有利于力学性能提高的界面结构．     

M－40／酚醛环氧复合材料界面改性的研究

应用阳极氧化法对Ｍ—４０高模量碳纤维进行表面改性，在酚醛环氧树脂中加入ＱＹ８９１１—Ⅰ型双马来酰亚胺树脂进行基体改性。测定了几种不同体系的Ｍ—４０／酚醛环氧复合材料在室温和高温（１６０℃）的层间剪切强度和抗冲击强度，并用ＳＥＭ观察分析了剪切和冲击断口形貌。结果表明，纤维和基体同时改性的复合材料不仅具有较高的界面强度，而且具有较好的冲击韧性。     

铁对C／Cu复合材料界面特性影响的研究

利用电子显微及X射线衍射仪分析研究了C／Cu复合材料的界面特性及合金元素铁对C／Cu复合材料界面特性的影响，研究表明复合材料界面既无化学反应也无扩散发生，C／Cu界面是物理结合，试验表明，合金元素Fe与碳纤维发生化学反应，使C-Cu界面结合强度明显提高，因此使C／Cu复合材料的强度从592MPa提高到696MPa，横向剪切强度从64MPa提高到84MPa，化学结合型界面是提高复合材料强度的途径之一。     

M—40／酚醛环氧复合材料界面改性的研究

应用阳极氧化法对Ｍ－４０高模量碳纤维进行表面改性，在酚醛环氧树脂中加入ＱＹ８９１－Ｉ型双马来酰亚胺树脂进行基体改性。测定了几种不同体系的Ｍ－４０／酚醛环氧 合材料在室温和高温的层间剪切强度和抗冲击强度，并用ＳＥＭ观察分析了剪切和冲击断口形貌。结果表明，纤维和基体同时改性的复合材料不仅具有较高的界面强度，而且具有较好的冲击韧性。     

纳米SiO2对SMA复合材料界面强度的改善

形状记忆合金纤维与基体之间较弱的界面粘结强度在很大程度上限制了其发展与应用.本文试图用纳米SiO2颗粒来改善形状记忆合金复合材料的界面力学性能,并讨论了不同种类以及不同含量的纳米SiO2颗粒对形状记忆合金复合材料界面强度的影响,并采用扫描电镜和透射电镜的方法分析了其作用机理.实验结果表明,纳米SiO2颗粒的加入能够有效提高形状记忆合金纤维增强复合材料的界面粘结强度.