基于锥形量热法的典型碳纤维/环氧复合材料燃烧特性

采用锥形量热仪实验研究环氧树脂基体、T300碳纤维/环氧复合材料及T300碳纤维/环氧-泡沫层合板(上下层为T300碳纤维/环氧复合材料,中间层为4mm厚的Divinycell H60泡沫芯材)在不同火灾环境下的燃烧性能。对比分析其点燃时间、热释放速率、总烟气释放量和CO生成速率等燃烧特性参数的变化规律。利用SEM测试T300碳纤维/环氧复合材料燃烧前、后表面形貌图像和环氧树脂基体和T300碳纤维/环氧复合材料燃烧形成炭层的形貌图像,分析碳纤维在碳纤维/环氧复合材料热解、燃烧过程中的影响作用。结果表明,随热辐射强度的增加,三种实验样品的平均点燃时间均缩短,热释放速率峰值和300s内热释放速率均值均增大,峰值出现时间提前,燃烧后残余率均降低。碳纤维对环氧树脂热解和燃烧起到抑制作用,其点燃、放热及达到热释放速率峰值的时间延后,T300碳纤维/环氧-泡沫层合板中泡沫芯材的燃点较低,使其平均点燃时间、热释放速率峰值出现时间及CO开始释放时间提前。T300碳纤维/环氧复合材料和T300碳纤维/环氧-泡沫层合板燃烧后均出现明显的分层现象,力学性能丧失,整体结构被破坏。碳纤维的存在能够有效抑制碳纤维/环氧复合材料的热解及燃烧,并能有效抑制在燃烧过程中产生融滴、喷溅和大量黑烟。     

炭化处理对重组竹阻燃抑烟性能影响

利用锥形量热仪、氧指数测定仪和烟密度测定仪研究了炭化处理对重组竹阻燃抑烟性能的影响,结果表明,炭化处理可以降低重组竹燃烧热释放速率和质量损失速率,减少热释放总量,增大氧指数,延迟点燃时间。炭化处理使重组竹燃烧热释放速率峰值降低了36.6%、达到峰值的时间延迟了450s,点燃时间增加了5倍,氧指数增大了49.3%,质量损失速率峰值降低了21.8%、达到峰值的时间延迟了505s;炭化处理显著降低了重组竹烟生成速率、烟生成总量、烟密度及一氧化碳与二氧化碳释放速率。炭化处理使重组竹燃烧烟密度降低了35.9%,一氧化碳与二氧化碳释放速率达到最大值时间延迟了600s左右。炭化处理对重组竹具有明显的阻燃抑烟效果。     

碳纤维环氧树脂复合材料热响应预报方法EI北大核心CSCD

为研究碳纤维环氧树脂复合材料在火灾环境下的热响应,考虑其在火灾环境下的热解过程,建立非线性热响应方程组,利用有限差分法计算分析单侧热流作用下的材料内部温度-时间历程与炭化规律。结果表明:建立的热响应方程组可以有效预测碳纤维环氧树脂的温度-时间历程,与实验值吻合较好;随着加热时间延长,炭化层范围逐渐扩大,温度趋于稳定,材料温度-深度分布由非线性转变为线性;随着深度增加,碳纤维环氧树脂复合材料温升速率减小,达到热解所需的时间更长,炭化过程变慢,且单位温度的密度变化量峰值随深度增加向低温方向移动;热解反应区中不同深度位置的材料剩余质量分数在同一温度下不同,深度越大剩余质量分数越小,炭化程度越高。     

5种典型有机保温材料的耐火性能分析及研究

对5种典型有机保温材料的耐火行为及燃烧特性进行研究,并借助锥形量热仪对材料的点燃时间、热释放速率、质量损失速率等性能指标进行相关评价,并分析对比热塑性及热固性材料在燃烧行为中的不同之处,为有机保温材料的性能研究与应用提供基础理论依据,从而得以客观有效地评价不同类型有机保温材料的燃烧特性。     

碳纤维环氧树脂复合材料热响应预报方法

为研究碳纤维环氧树脂复合材料在火灾环境下的热响应,考虑其在火灾环境下的热解过程,建立非线性热响应方程组,利用有限差分法计算分析单侧热流作用下的材料内部温度-时间历程与炭化规律。结果表明:建立的热响应方程组可以有效预测碳纤维环氧树脂的温度-时间历程,与实验值吻合较好;随着加热时间延长,炭化层范围逐渐扩大,温度趋于稳定,材料温度-深度分布由非线性转变为线性;随着深度增加,碳纤维环氧树脂复合材料温升速率减小,达到热解所需的时间更长,炭化过程变慢,且单位温度的密度变化量峰值随深度增加向低温方向移动;热解反应区中不同深度位置的材料剩余质量分数在同一温度下不同,深度越大剩余质量分数越小,炭化程度越高。     

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。      

用氧化淀粉作成炭剂制备阻燃环氧树脂的研究

研究了采用氧化淀粉作为成炭剂,与密胺树脂包覆的聚磷酸铵复配后制备阻燃环氧树脂。结果表明,采用6.25%OST3和6.25%MFAPP复配的膨胀型阻燃剂制备的阻燃环氧树脂的阻燃性能最好,所制备阻燃环氧树脂的LOI为29.5%,能通过UL-94V-0级,热释放速率峰值为400kW/m2,总热释放量为13.4MJ/m2,点燃时间最短,仅为22s。     

T-700碳纤维增强复合材料的激光辐照性能研究

采用Rofin-Sinar 850型CO_2激光器研究了T-700碳纤维/g氧树脂及T-700织物/酚醛树脂2种复合材料体系的激光辐照特性.研究表明,T-700碳纤维增强树脂基复合材料在激光辐照时均首先产生燃烧现象.在032激光器的输出功率2355(士3%)w、光斑直径10mm、光斑功率密度3kW/cm~2、辐照时间3s条件下,T-700碳纤维/环氧树脂与碳布/酚醛树脂复合材料的质量损失相当,质量损失最大为0.1666g.在激光辐照下,增加T-700碳纤维/环氧树脂复合材料厚度可以起到明显的隔热作用,在碳布/酚醛树脂复合材料表面粘贴DQ绝热层可有效提高激光辐照隔热性能.     

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。      

层间增韧环氧树脂碳纤维单向带的热解特及动力学研究

利用差热-热重同步分析仪研究层间增韧环氧树脂碳纤维单向带的热稳定性,研究在不同升温速率条件下该复合材料的失重温度和失重规律。研究结果表明,随着升温速率的提高,层间增韧环氧树脂碳纤维单向带每个阶段的初始分解温度、反应最终温度及最大失重速率温度均向高温方向移动,热解温度范围逐渐扩大,质量损失明显增加。分别应用微分法和积分法对样品进行热解动力学相关参数计算,计算结果表明,层间增韧环氧树脂碳纤维单向带整体活化能较高,分子间碰撞激烈,热分解反应不易进行,其热稳定性较高。     

变厚度复合材料热压罐工艺层板厚度控制的实验研究

针对2种碳纤维织物/环氧预浸料,采用热压罐工艺在不同条件下制备了变厚度层板,并通过层板内部形貌、层板厚度、纤维含量、吸胶量、织物渗透率的测试分析,研究了变厚度层板的密实过程和纤维分布的影响因素。结果表明：密实过程中树脂的二维流动导致2种织物变厚度层板厚板区的纤维含量高于薄板区;G0827单向织物的面内渗透率与厚度方向渗透率比值大于G0803缎纹织物,造成G0827织物变厚度层板的纤维分布不均匀性更大;无吸胶材料的条件下层板内纤维分布均匀,说明吸胶材料内树脂的面内流动对层板的纤维分布有很大影响。     

碳纤维/环氧超厚度复合材料壁板的固化工艺优化及性能

为制定适用于大厚度环氧基碳纤维增强复合材料的固化制度,首先采用热分析方法对预浸料的固化行为进行了详细的研究,结合预埋热电偶的方法在线监测了不同厚度的壁板在等速率升温条件下的固化过程,通过系统的研究,并提出了增加缓慢升温阶段的固化制度。文中对固化制度优化后的大厚度复合材料制件的进行了超声C扫描检测和内部微观结构等分析,结果证明,采用在120℃和150℃缓慢升温的方式可以有效地控制大厚度复合材料制件内部的固化集中放热现象,并可大幅度提高制造过程中的温度均匀性。采用上述工艺,有望得到质量优异的大厚度复合材料制件。     

L形复合材料层板热压工艺密实变形过程的数值模拟

基于 Biot 固结原理和达西定律 , 建立了二维树脂流动与纤维密实模型 , 采用有限元方法实现了 L 形层板热压成型过程树脂压力分布、 层板变形的预测。通过对 AS4 炭纤维/环氧 350126 等厚层板厚度变化的模拟结果与实验数据的对比分析 , 证明了数学模型和有限元程序的可靠性。以阳模成型 90° 铺层 S22玻璃纤维/环氧 648L 形层板为例 , 对工艺过程层板厚度变化进行了分析。模拟结果表明 : 剪切模量对拐角以及拐角与平板过渡区域的变形影响较大 ; 平板长度对拐角区域变形影响较明显 , 对平板区的变形影响较小。采用热压罐制备了 90° 铺层S22玻璃纤维/环氧 648阳模成型 L 形层板 , 实验数据表明 , 固化后层板呈现拐角区厚、 平板区薄的厚度不均现象 , 并且平板长度对拐角区厚度变化影响较显著 , 这与数值预测结果具有较好的一致性。     

CALL混杂复合材料的弯曲试验研究

本文用高灵敏度云纹干涉法对CALL混杂复合材料在纤维方向和垂直于纤维方向的弯曲及破坏特性进行了实验研究,得到了弯曲试件横截面上的剪应变分布规律及破坏形式。实验结果表明:碳纤维/环氧树脂层的剪应变明显大于铝层的剪应变,但各自沿截面呈抛物线分布。纤维方向弯曲试件的破坏形式是分层或碳纤维/环氧树脂层剪切破坏;垂直于纤维方向弯曲试件的破坏由受拉面碳纤维/环氧树脂层的拉伸破坏所致。本文工作为进一步深入研究CALL材料的力学性能提供了重要的实验依据。     

Tension fatigue analysis and life prediction for composite laminates

A tension fatigue life prediction methodology for composite laminates is presented. Tension fatigue tests were conducted on quasi-isotropic and orthotropic glass epoxy, graphite epoxy, and glass/graphite epoxy hybrid laminates. Edge delamination onset data were used to generate plots of strain energy release rate as a function of cycles to delamination onset. These plots were then used along with strain energy release rate analyses of delaminations initiating at matrix cracks to predict local delamination onset. Stiffness loss was measured experimentally to account for the accumulation of matrix cracks and for delimination growth. Fatigue failure was predicted by comparing the increase in global strain resulting from stiffness loss to the decrease in laminate failure strain resulting from delaminations forming at matrix cracks through the laminate thickness. Good agreement between measured and predicted lives indicated that the through-thickness damage accumulation model can accurately describe fatigue failure for laminates where the delamination onset behaviour in fatigue is well characterized, and stiffness loss can be monitored in real time to account for damage growth.     

超薄预浸料对碳纤维/环氧树脂复合材料导电性能的影响

为了协同提高碳纤维/环氧树脂（CF/EP）复合材料的电性能和力学性能,采用碳纤维丝束展宽、浸润一体化的工艺方法,将12K CF展宽预浸制备成厚度分别为0.02 mm、0.03 mm、0.08 mm、0.10 mm的CF/EP预浸料及其单向层合板,分析测试了微观结构尺度对CF/EP复合材料层合板电阻率、电阻率随温度及在拉伸载荷作用下响应的影响机制。结果表明,随着CF/EP预浸料厚度从0.10 mm减小到0.02 mm,CF/EP复合材料单向层合板中大尺度树脂富集区所占比例明显减小,厚度方向的电阻率从151.3 Ω·cm减小到32.1 Ω·cm,导电性能提高了约5倍;随着温度升高,CF/EP复合材料层合板电阻率逐步下降,厚预浸料层合板沿厚度方向电阻率的下降速率高于薄预浸料层合板;在载荷作用下由CF/EP薄预浸料制成的CF/EP复合材料层合板的电阻率具有较高的稳定性,表明预浸料薄层化有助于提高CF/EP复合材料抵抗载荷作用的能力,从而获得较高的力学性能和电性能。实验结果为CF/EP复合材料结构-功能一体化设计提供了基础。      

阻燃苎麻/酚醛树脂复合材料的制备及性能

采用磷酸酯类和氮磷类两种不同类型的阻燃剂处理苎麻织物, 并与酚醛树脂复合制备苎麻/酚醛树脂层压板, 发现氮磷类阻燃剂能够更好地提高酚醛层压板的阻燃性能。氮磷类阻燃剂处理苎麻织物后使层压板的极限氧 指数由25.2%提高到39.1%, 并达到垂直燃烧试验UL94的V0级, 而磷酸酯类处理只能使极限氧指数提高到27.8%。锥形量热试验发现氮磷类的阻燃剂处理后使层压板的残炭量增加, 点燃时间大幅度延长, 而峰值热释放速率和平均烟密度则显著降低。同时, 阻燃剂处理苎麻织物时, 对麻纤维结构的破坏很小, 因此对材料力学性能影响很小。      

碳纤维无纺布对CFRP层板层间的增韧作用及机制

为了揭示短纤维无纺布对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层板层间韧性的影响规律,测试了不同面密度(1.95、3.90、7.80和15.60 mg/cm2)和不同纤维平均长度(0.8 mm和4.3 mm)的碳纤维无纺布增韧的CFRP层板I型层间断裂韧性。实验结果表明:对于不同短纤维增韧的CFRP层板,平均长度为0.8mm的短纤维增韧效果优于平均长度为4.3mm的短纤维,并且面密度为7.8mg/cm2、厚度约为150μm、平均长度为0.8mm的碳纤维无纺布显著提高了CFRP层板的层间断裂韧性,与未改性的CFRP层板相比,其能量释放率最大可提高99%。光学显微镜观察结果表明环氧基体中长度为0.8mm的短纤维具有三维交织结构,该结构可以有效地阻止裂纹的扩展;SEM观察结果表明短纤维从环氧基体中的脱粘和拔出以及短纤维周围环氧基体的塑性变形是CFRP层板的主要增韧机制。研究结论为层板短纤维增韧技术的应用奠定了基础。     

A new unidirectional carbon fiber prepreg using physically modified epoxy matrix with cellulose nano fibers and spread tows

A new unidirectional carbon fiber prepreg was successfully developed, whose epoxy matrix was physically modified with cellulose nano fibers (CNF). Two different types of prepreg were fabricated using regular carbon fiber (CF) and spread CF tows to identify the effect of prepreg thickness on the mechanical performance including fatigue of quasi isotropic laminates using these prepregs while the thickness of each layer was kept the same (120 μm). The effect of CNF modification of epoxy matrix on the fatigue life is quite significant if thin prepregs were used. It increases greater than 10 times than the fatigue lives of laminates fabricated by regular CF tows/unmodified EP or regular CF tows/modified EP. Uniformly dispersed CNF in the epoxy matrix increases the interfacial strength between CF and matrix.