酚醛气凝胶多功能复合材料的设计与性能

为解决单一结构体系的隔热材料在实际应用中存在重量、烧蚀和隔热问题,本文选择三种耐温点不同的柔性纤维织物进行功能梯度的热防护结构设计,采用2.5D针刺编织等工艺制备出非均匀密度的功能梯度纤维增强体,通过对酚醛树脂改性、溶胶-凝胶工艺浸渍纤维增强体、超临界干燥、后处理等过程制备出纤维增强酚醛气凝胶多功能复合材料,完成了产品的力、热等性能测试,重点分析了材料的烧蚀性能。结果表明,这种非均匀密度的多功能酚醛气凝胶复合材料具有质轻、导热系数小、集烧蚀/隔热于一体等特点,进一步验证了酚醛气凝胶复合材料多功能方案应用的可行性。     

不同针刺工艺的针刺复合材料面内拉伸强度分析

6种针刺工艺不同的碳纤维增强树脂基复合材料,其面内拉伸强度随着针刺密度和针刺深度的增大而降低,针刺处纤维的断裂使材料内的缺陷失稳扩展和面内纤维断裂,进而使材料整体拉伸失效。根据面内拉伸实验结果和纤维累计损伤理论并引入纤维体积折减系数,建立了分析针刺复合材料面内拉伸强度的理论模型。这个模型的预测结果与实验结果相符,并发现断裂纤维簇的个数与体积折减系数相关。用该模型可预报不同针刺工艺复合材料的面内拉伸强度,并指导设计针刺复合材料的预制体。     

玻璃纤维和碳纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料的制备及性能研究

以正硅酸乙酯为前驱体,玻璃纤维和碳纤维为增强相,通过溶胶-凝胶和常压干燥分别制备了玻璃纤维增强型二氧化硅气凝胶(GF/SiO₂气凝胶)和碳纤维增强型二氧化硅气凝胶(CF/SiO₂气凝胶)复合材料,通过扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱、比表面积和孔径分布测试仪、万能力学试验机、导热系数测试仪等手段对材料的结构和性能进行了测试表征,对比分析了玻璃纤维和碳纤维对SiO₂气凝胶复合材料结构与性能的影响。结果表明：玻璃纤维与SiO₂颗粒基体之间的界面结合较差,制得的GF/SiO₂气凝胶具有较差的力学性能(压缩强度=0.676MPa,应变=60%)和较高的导热系数[0.0410W/(m·K)];而碳纤维与SiO₂气凝胶颗粒具有较好的界面相互作用,制得的CF/SiO₂气凝胶具有良好的力学性能(压缩强度=1.225MPa,应变=60%)和低的导热系数[0.0342W/(m·K)]。     

碳纤维-玻璃纤维层内混杂单向增强环氧树脂复合材料拉伸性能

采用不同混杂比的碳纤维-玻璃纤维层内经向混编单轴向织物制备了混杂纤维增强环氧树脂复合材料, 研究了不同混杂结构和不同混杂比的碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料拉伸性能的变化及破坏形式。0°拉伸结果表明:同种混杂织物的不同混杂结构中, 碳纤维相对集中的完全对齐结构强度最高, 不同混杂比织物的完全对齐结构强度相当;碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的模量遵循混合定律。90°拉伸结果表明:纤维与树脂间的界面结合强度为碳纤维/树脂>玻璃纤维/树脂, 碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的强度、模量与材料厚度方向上界面的不同形式(单一或交替界面、碳纤维或玻璃纤维的分布位置等)有关, 与碳纤维的含量基本无关。      

预制体结构对针刺石英纤维/环氧树脂复合材料导热性能的影响

为了探索预制体结构对针刺石英纤维/环氧树脂复合材料导热性能的影响,采用逐层针刺技术和树脂传递模塑工艺制作了针刺石英纤维/环氧树脂复合材料。利用瞬态热线法测量了环氧树脂和不同预制体结构的针刺石英纤维/环氧树脂复合材料的导热性能。结果表明:随着纤维体积分数的提高,针刺石英纤维/环氧树脂复合材料的导热性能得到了提升。其中,用石英纤维短切毡增强环氧树脂的导热性能比环氧树脂提高了35.9%。当针刺石英纤维/环氧树脂复合材料中的无纬布纤维平行于热线时,采用石英纤维短切毡与石英纤维无纬布共同增强的2种针刺石英纤维/环氧树脂复合材料的导热性能分别比环氧树脂提高了45.5%和46.4%;而当无纬布纤维垂直于热线时,导热性能比环氧树脂分别提高了56.4%和61.8%。针刺石英纤维/环氧树脂复合材料的导热性能不仅受石英纤维体积分数影响,也受到预制体中无纬布纤维体积分数和取向的影响。      

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。     

SiO2-Al2O3气凝胶及纤维增强复合材料制备技术研究进展

SiO₂-Al₂O₃复合气凝胶(SAA)耐高温性能明显优于纯SiO₂、Al₂O₃气凝胶,可用于1 000℃以上高温环境,对高温窑炉、设备隔热保温具有重要意义。本文综述了SAA及纤维增强复合材料的制备技术研究进展,在阐明硅铝复合溶胶水解、聚合机理的基础上,讨论了前驱体种类、干燥方式、水、添加剂等对溶胶胶凝过程及气凝胶微观结构与物化性能的影响,简要介绍了SAA微观结构、高温烧结行为特点及硅铝物质的量比对孔结构及耐高温性能的影响,介绍了基于粉煤灰、煤矸石、高岭土等廉价原料的SAA制备方法,以及基于纳米颗粒组装、冰模板、壳聚糖模板的制备新方法。在纤维增强复合材料方面,介绍了以纤维为分散相、纤维预制体为主体骨架两类复合材料的制备方法及纤维种类(石英、莫来石、碳纤维、纳米SiO₂、碳纳米管、氧化锆等)对复合材料力学及耐高温性能的影响。最后梳理了目前复合气凝胶研究中存在的问题,展望了其发展趋势。     

碳纤维预制体结构对C/C复合材料及其螺栓力学性能的影响

以2D碳纤维预制体为增强体, 采用电耦合和等温化学气相渗联合工艺制备C/C复合材料, 研究不同预制体结构对C/C复合材料及其螺栓力学性能的影响。结果表明, 不同预制体结构增强的C/C复合材料表现出不同的力学行为。对于针刺结构, 随着针刺密度由35 pin/cm ²降至25 pin/cm ², C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别由60.1、119.9 MPa增大至69.5、176.8 MPa; 随着碳纱丝束由12 K变为3 K, C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别由69.5、176.8 MPa增大至105.5、184.4 MPa。对于12 K双向缝合结构, C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别为68.1、123.7 MPa。不同碳纤维预制体结构增强的C/C复合材料力学性能的差异主要取决于长纤维的完整性、大孔的分布和数量等因素。C/C复合材料的螺栓性能由于体材料性能和加工过程中缺陷的影响, 其拉伸强度略低于其体材料, 并表现出更为明显的脆性断裂模式。     

单向连续碳纤维-玻璃纤维层间混杂增强环氧树脂基复合材料的力学性能

为了研究连续单向纤维的层间混杂方式对复合材料力学性能及破坏方式的影响,采用碳纤维-玻璃纤维体积比为1∶1,以拉-挤成型法制备了具有不同层间混杂结构的连续单向纤维增强环氧树脂基复合材料,并研究了不同层间混杂结构的连续单向碳纤维-玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能及破坏形式。结果表明：具有层间混杂结构的复合材料抗拉强度处于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料之间,复合材料的拉伸断裂方式为劈裂;具有层间混杂结构的复合材料的层间剪切强度均优于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料,复合材料的剪切断裂方式为层间断裂。     

纤维增强聚酰亚胺复合材料的摩擦学行为

本文研究了碳纤维、玻璃纤维及石英纤维增强的PI复合材料在于摩擦和水环境下的摩擦磨损行为。研究表明,碳纤维增强PI复合材料在两种摩擦条件下的摩擦系数和磨损率都随碳纤维含量的增加而不断降低。而玻璃纤维和石英纤维增强PI复合材料的摩擦系数和磨损率则随纤维含量的增加而增大。材料的磨损均以塑性变形、微观破裂及破碎为主导,相同纤维种类和含量增强PI复合材料在水环境下的磨损率均较干摩擦下的低,这主要归因于摩擦副表面吸附或存留的水分的边界润滑作用。     

界面涂层对液相硅浸渗制备C/SiC复合材料力学性能的影响

采用化学气相沉积工艺对短切碳纤维毡体进行界面涂层改性处理后树脂浸渍裂解得到了多孔C/C预制体,再将预制体液相硅浸渗制备了C/SiC复合材料.对比了纤维有无界面涂层对C/SiC复合材料力学性能的影响,并分析了其断裂机制.结果表明,与无界面涂层改性相比,碳毡经化学气相沉积SiC涂层改性处理后制备的C/SiC复合材料的力学性能更好,强度和模量分别提高了192％和36％.界面涂层增强了纤维的抗硅化效果是C/SiC复合材料力学性能提高的主要原因,但同时复合材料也呈现出脆性断裂模式.     

连续碳纤维/聚酰胺6混编织物复合材料的成型及性能研究

为了改善碳纤维/聚酰胺6织物复合材料界面的结合状态,提高复合材料的力学性能,通过混编的方式制备了碳纤维/聚酰胺6预制体,混编织造前碳纤维经500℃-2 min高温处理后浸泡在1wt%浓度的PA 845H-TDS-CN上浆液中20 s,最后将预制体通过热压成型,制备碳纤维织物/聚酰胺6复合材料。采用TGA、DSC、SEM、万能拉伸试验机分析碳纤维/聚酰胺6复合材料的热性能、晶型变化、微观形貌及力学性能。结果表明,聚酰胺6树脂主要以α晶型存在,结晶较为完善。纤维拔出后,单根碳纤维表面附着部分尼龙基体,碳纤维与尼龙基体形成了良好的界面层。优化后的层合板工艺为：铺层数10层,热压温度240℃,热压压力3 MPa,热压时间15 min。此工艺下,复合材料平均拉伸强度达到了825 MPa,弯曲强度平均值达到了520 MPa。     

C/C多孔体对C/C-SiC复合材料制备及性能的影响

以准三维针刺碳纤维预制体,经化学气相渗透(CVI)法制备了4种密度的C/C多孔体,利用先驱体浸渍裂解法(PIP)制备了C/C-SiC复合材料,研究了C/C多孔体对C/C-SiC复合材料制备和最终性能的影响。结果表明:C/C多孔体密度越低,最终得到的C/C-SiC复合材料开孔隙率及SiC含量较高。SiC的存在使C/C-SiC材料具有较高的弯曲强度,纤维和基体界面也是影响弯曲强度的关键因素,其中密度为1.35g/cm3的C/C多孔体所制备的C/C-SiC复合材料纤维和基体之间形成较好的结合界面,其弯曲强度最大。同时,SiC含量增加可显著提高C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能。     

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。     

低密度纤维增强纳米孔树脂基复合材料的断裂机制

纤维增强纳米孔树脂基复合材料(IPC)是一类轻质高效防隔热一体化耐烧蚀材料,具有典型的非均质结构特征。在外加载荷下,内部的纳米孔隙将会衍生出微裂纹。裂纹的萌生、聚合和扩展对复合材料的强度、刚度、变形性等力学性能有着重要的影响。本文分别以石英纤维针刺网胎(NQF)、石英纤维针刺网胎/纤维布(NQCF)为增强体,制备得到不同纤维结构增强的纳米孔酚醛树脂(NPR)基复合材料(NQF/NPR、NQCF/NPR),对比研究了材料拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率及拉伸疲劳性能,并采用CT原位拉伸装置表征了拉伸过程中复合材料的微观结构演变。结果表明：纤维布的引入极大提高了复合材料的力学性能,并且微裂纹首先在针刺区域边缘的树脂基体中出现。在裂纹扩展过程中,纤维结构对树脂基体的损伤起到了不同程度的阻碍作用。最后结合有限元法建立了NPR及纤维布的有限元模型,分析了不同尺度下材料的断裂机制。     

原位聚合法制备连续玻璃纤维增强尼龙6复合材料的改性和性能

尼龙6(PA6)树脂具有优异的性能,其连续纤维复合材料在汽车、航空航天领域具有广泛应用。但是PA6树脂熔融后黏度较高,不易对连续纤维充分浸渍,并且连续纤维与PA6的复合材料界面黏附性较差,限制了其复合材料的性能和应用。针对这些问题,文中对连续玻璃纤维增强尼龙6(CGF/PA6)复合材料开展了研究。首先,采用阴离子开环聚合制备PA6,确定了其最佳制备工艺;其次,用硅烷偶联剂KH550(AP)对连续玻璃纤维（CGF）进行改性,并对其进行了红外光谱表征;最后,通过原位聚合法制备了CGF/PA6复合材料,研究了AP改性对CGF/PA6复合材料力学性能的影响,并对CGF/PA6复合材料的拉伸断口进行了扫描电镜分析。结果表明,AP被键合到了CGF表面,AP改性可以增强CGF/PA6复合材料的界面黏附性,从而使CGF/PA6复合材料的拉伸强度得到改善,当AP用量为2%时,CGF/PA6复合材料的拉伸强度高达88.52 MPa,此时,复合材料的断裂伸长率最低,为4.90%。CGF/PA6复合材料的冲击强度变化不大,均在50 k J/m2左右,说明复合材料的韧性受CGF表面改性影响较小。     

溶胶配比对碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料力学性能的影响

以异丙醇(I)为溶剂、 六次甲基四胺(H)为催化剂, 配制间苯二酚(R)-糠醛(F)的醇溶胶, 经浸渍纤维预制件、凝胶老化、超临界干燥和炭化制得碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料。研究了溶胶配比对碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料密度、微观结构和力学性能的影响规律。结果表明:随着异丙醇与间苯二酚物质的量之比增大, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的密度逐渐降低, 基体炭气凝胶内及与碳纤维形成的界面内孔径增大, 大孔数量增多, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的强度降低。当异丙醇与间苯二酚物质的量之比由18增加到28时, 压缩强度由2.498 MPa(应变10%)降至0.716 MPa(应变10%), 拉伸强度由2.019 MPa降至1.001 MPa, 弯曲强度由3.984 MPa降至1.818 MPa。随着六次甲基四胺与间苯二酚物质的量之比增大, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的密度先增大后减小, 基体炭气凝胶内及与碳纤维形成的界面内孔径先减小后增大, 大孔数量先减少后增加, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的强度先增大后减小。当六次甲基四胺与间苯二酚物质的量之比为0.008 5时, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的密度最大, 强度最大, 其压缩强度为1.066 MPa(应变10%), 拉伸强度为1.256 MPa, 弯曲强度为3.556 MPa。      

溶胶-凝胶法Al2O3涂层碳纤维增强铝基复合材料的研制

以异丙醇铝为原料, 经乙酰丙酮改性, 通过水解缩合制得Al₂O₃溶胶, 研究溶胶2凝胶法在碳纤维上涂覆氧化铝陶瓷和制备(涂层) 碳纤维增强铝基复合材料预制丝的连续工艺。采用了IR、TG-DTA、XRD、SEM 等手段对溶胶2凝胶产物、涂层纤维、碳纤维增强铝预制丝进行了分析表征。结果表明: γ-Al₂O₃涂层有效的阻止了氧分子渗入, 与原纤维相比, 涂层纤维的耐高温性能明显提高。涂层后纤维与熔融铝的润湿性和相容性明显改善, 涂层有效的阻止了碳/铝界面反应, 使预制丝强度明显提高。      

CFRP@GFRP混杂复合材料杆体在水浸泡环境下的性能演化

碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)@玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)混杂复合材料杆体发挥碳纤维的高力学、疲劳性能与玻璃纤维的低成本、高变形能力等优势,在桥梁与海洋工程中具有巨大应用潜力,如跨海大桥斜拉索。针对CFRP@GFRP混杂复合材料杆体在服役环境下长期性能演化,本文采用加速试验方法研究蒸馏水环境下CFRP@GFRP混杂复合材料杆体的水吸收及界面剪切性能长期演化规律。研究结果表明:混杂复合材料杆体皮、芯层及杆体吸水行为符合Fick定律,GFRP皮层扩散系数最大,CFRP芯层次之,混杂复合材料杆体由于在皮/芯界面层形成吸水屏障而扩散系数最小。浸泡在蒸馏水环境下芯层、皮/芯界面及皮层界面剪切强度下降,这是由于浸泡过程中水分子通过氢键形式与树脂基体结合形成结合水,导致树脂基体发生水解和塑化及纤维/树脂界面脱黏。基于Arrhenius加速理论建立了混杂复合材料杆体在三座典型桥梁服役环境下的界面剪切强度预测模型。      

缠绕成型混杂纤维复合材料静态拉伸性能研究

研究了T700碳纤维/玻璃纤维、T700碳纤维/玄武岩纤维不同纤维配比混杂材料的层合板拉伸性能。结果表明,混杂纤维层合板的拉伸性能随着碳纤维含量提高而提高;高断裂位移的纤维可以提高混杂纤维复合材料的断裂伸长率。复合材料模量混杂公式得到的理论值与实际测量值比较接近;加入玻璃纤维或玄武岩纤维可以提高复合材料的韧性,同时节省成本。