碳纤维增强树脂基复合材料的界面

从碳纤维、树脂基体、界面3个层次对碳纤维增强树脂基复合材料的界面研究进行了综述,重点介绍了碳纤维表面特性表征及改性方法、树脂基体特性及改性方法和界面分析表征手段,由此提出了纤维/树脂界面的研究路线,简要分析了复合材料界面研究的前景与趋势。为了实现纤维/树脂界面的良好匹配,充分发挥碳纤维复合材料的性能优势,需完善界面表征手段、明确界面微观性能与复合材料宏观性能的关系、深化研究界面对复合材料湿热性能及失效模式的影响等。     

一个单向碳纤维增强树脂基复合材料导电结构模型

本文报导了一个单向碳纤维增强树脂基复合材料导电结构模型, 可用单位截面上邻近碳纤维的搭接点数目和两相邻搭接点的距离来表征这种导电结构的基本特征。实测试样电阻与试样尺寸的关系与理论曲线基本吻合。      

秸塑复合材料蠕变性能分析

蠕变作为秸塑复合材料的重要力学性质之一,其蠕变性能与应力、温度与时间等参数密切相关。为了研究探讨秸塑复合材料的蠕变性能,进行了等温不同拉应力以及等拉应力不同温度下的蠕变实验。利用时间-温度-应力等效性原理与Burgers模型拟合得到了秸塑复合材料在参考温度、参考应力下的蠕变主曲线及其表达式,再利用时间-温度-应力等效性原理中的WLF方程对该材料在低温或低应力水平程度下蠕变柔量进行了推导。从而能够通过秸塑复合材料在较高温度或较高应力条件下的短时间蠕变行为,来预测该类材料在低温或较低应力水平下的长时间蠕变行为。     

吸湿老化后碳纤维增强乙烯基脂树脂复合材料高低温力学性能

碳纤维增强乙烯基酯树脂复合材料(CFRP)是海洋和舰船工程领域广泛应用的结构材料,在复杂海洋环境和服役工况下,材料面临湿热和极端温度的考验。本文研究了树脂和CFRP在水浴过程中的质量和形貌变化及水浴吸湿后CFRP在3种测试温度下(-30℃、室温和70℃)的力学性能演变。FTIR和液相色谱-质谱联用实验结果表明乙烯基酯树脂在水浴过程中发生了水解,而吸湿后CFRP的微观形貌观察表明纤维-基体界面的存在会改变树脂基体的吸湿行为。低温、高温和水浴120天后室温测试环境下,CFRP的压缩强度相比未吸湿试样的室温初始强度,分别降低了27.4%、36.2%和32.8%;而低温环境下面内剪切强度提升了35%,高温环境下降低了27%,水浴120天后提升了7%,显示温度对CFRP面内剪切强度的影响大于湿热老化。此外,动态热力学性能测试显示初始阶段的吸湿会导致CFRP储能模量和玻璃化转变温度(Tg)降低,但后期储能模量和Tg会部分恢复。     

基于宏观各向异性碳纤维增强树脂基复合材料的切削仿真

为了对碳纤维增强树脂基复合材料切削加工过程中的基体破坏及亚表层损伤机制进行研究,借助数值仿真方法建立了基于宏观各向异性的复合材料正交切削有限元模型。采用Hashin-Damage失效准则,通过定义纤维拉伸断裂、压缩屈曲极限应力及基体横向拉伸断裂、剪切断裂极限应力等数值,建立了复合材料切削加工动态物理仿真模型。通过切削力仿真值与实验值的比较,验证了仿真模型的有效性。通过对0°和90°纤维方向复合材料基体开裂和压溃的分析发现,当进入稳定切削后,基体开裂方向与纤维方向平行,而基体的压溃主要发生在刀尖周围。分析了纤维方向对复合材料亚表面损伤深度的影响,随着纤维方向角度的增加,工件亚表面裂纹损伤深度呈增长趋势。     

湿热环境下碳纤维增强乙烯基树脂复合材料长期力学性能

碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)因其耐腐蚀、轻质高强等特点被广泛应用于海洋环境,进而长期遭受湿热环境的考验。为了解湿热环境和极端温度对碳纤维增强乙烯基树脂复合材料的影响,测试了湿热老化前后和不同温度下CFRP的压缩性能、面内剪切性能和层间剪切强度变化。FTIR和SEM结果表明：纯树脂试样在湿热环境中发生了水解,使试样表面的微裂纹和孔隙不断扩展并向试样内部渗透;碳纤维的埋入抑制了水的扩散和水解,因而CFRP的吸湿曲线与Fickian模型高度吻合;纯树脂由于水解反应影响了吸湿通道使吸湿曲线偏离Fickian模型。力学性能表明：湿热老化90天后压缩强度和层间剪切强度分别降低7.6%、12.3%;试样在高温(70℃)下的压缩强度、面内剪切强度、层间剪切强度分别急剧降低36.2%、26.9%、37.4%,且高温对试样力学性能的影响具有部分可逆性。     

碳纤维增强复合材料应力检测技术

碳纤维增强复合材料在制备、加工到装配、服役过程中,由于热膨胀不匹配等原因会导致材料内部出现分层、裂纹等缺陷,这些缺陷往往使材料处于一定的应力状态。这些应力状态有些对结构有益,而大多会使分层、裂纹等缺陷加剧进而造成结构强度和稳定性的大幅下降,在结构设计过程中必须充分认识有害的残余应力。精确快速地检测复合材料所处的应力状态,对于准确评估结构的强度、稳定性和使用寿命至关重要。总结了有损和无损应力检测技术的研究现状,并通过分析不同检测方法的优势与不足,指出了今后碳纤维增强复合材料应力检测研究工作的发展趋势。     

有缺陷纤维增强复合材料的细观力学

本文沿着细观力学从各向同性到各向异性，从平面问题到三维问题，从线弹性到弹塑性的发展历程，对有缺陷复合材料的细观力学的主要研究领域进行了总结和评述。     

金属基复合材料蠕变性能的研究现状和展望

综述了国内外金属基复合材料的抗高温蠕变性能的研究进展。重点分析了蠕变理论研究中的3种理论模型的特点,指出理论研究的核心问题是位错越过第二相的机制以及门槛应力的来源。详述了目前蠕变实验研究的各种实验方法与特点。讨论了利用计算机有限元分析来进行蠕变研究的优点。针对目前我国金属基复合材料的抗高温蠕变性能的研究方法提出了一些看法和展望。     

UVA紫外辐射对室内碳纤维增强环氧树脂基复合材料性能的影响

研究了Ultraviolet A(UVA)紫外辐射对碳纤维增强环氧树脂基复合材料产生的影响。测量和分析了从窗户照射到室内太阳光和日光灯辐射的UVA紫外线辐照度, 研究了碳纤维增强环氧树脂基复合材料经辐照度为200 μW·cm^-2的UVA紫外灯辐射处理后的力学性能变化, 并通过XPS、 接触角、 纳米压痕、 原子力显微镜(AFM)测试方法研究了其表面性能变化。结果表明: 春夏季节晴天室内太阳光紫外辐照度在14点时达到最大值, 距离窗户0 m处最大值为375 μW·cm^-2, 1 m处最大值迅速降至30 μW·cm^-2; 对功率40 W的日光灯, 距离日光灯0 m处, 紫外辐照度为87.3 μW·cm^-2, 1 m处快速降至5.4 μW·cm^-2; 经过45天的紫外辐射, 碳纤维增强环氧树脂基复合材料的层间剪切强度、 弯曲强度和拉伸强度无明显变化; 碳纤维增强环氧树脂基复合材料表面发生氧化反应, 表面硬度和粗糙度变大。     

UVA紫外辐射对室内碳纤维增强环氧树脂基复合材料性能的影响

研究了Ultraviolet A(UVA)紫外辐射对碳纤维增强环氧树脂基复合材料产生的影响.测量和分析了从窗户照射到室内太阳光和日光灯辐射的UVA紫外线辐照度,研究了碳纤维增强环氧树脂基复合材料经辐照度为200 μW·cm-2的UVA紫外灯辐射处理后的力学性能变化,并通过XPS、接触角、纳米压痕、原子力显微镜(AFM)测试方法研究了其表面性能变化.结果表明:春夏季节晴天室内太阳光紫外辐照度在14点时达到最大值,距离窗户0m处最大值为375 μW·cm-2,1m处最大值迅速降至30 μW· cm-2;对功率40 W的日光灯,距离日光灯Om处,紫外辐照度为87.3 μW·cm-2,1m处快速降至5.4μW· cm-2;经过45天的紫外辐射,碳纤维增强环氧树脂基复合材料的层间剪切强度、弯曲强度和拉伸强度无明显变化;碳纤维增强环氧树脂基复合材料表面发生氧化反应,表面硬度和粗糙度变大.     

短切炭纤维增强沥青基C/C复合材料的力学性能

利用模压半炭化成型工艺在大气环境下制备出了短切炭纤维增强沥青基C／C复合材料（简称SCFRC）。研究了短切炭纤维的体积分数对SCFRC材料的体积密度和力学性能的影响规律。借助光学显微镜和扫描电镜对其微观组织和断口形貌进行了观察，分析了短切炭纤维对SCFRC材料的增强机制。结果表明，当短切炭纤维的体积分数由0％增大到11．8％时，SCFRC材料的力学性能随之呈线性增加；短切炭纤维增强SCFRC材料的机制主要有裂纹偏转效应、桥联效应以及脱粘和拔出效应。     

碳纤维增强环氧树脂复合材料修复N80Q钢管的力学性能

为考察碳纤维增强环氧树脂复合材料对环状腐蚀的N80Q钢管的修复效果,采用数值分析和全尺寸爆破试验对修复后的力学性能进行了研究,分析了缺陷轴向长度、缺陷深度和修复层厚度对修复效果的影响。结果表明:碳纤维增强环氧树脂复合材料对N80Q钢管的修复效果显著,经试验测试, 6 mm深缺陷的N80Q管道由碳纤维增强环氧树脂复合材料修复后爆破压力值提高了0.985倍;缺陷轴向长度对N80Q管道修复后的强度影响较小,随着缺陷轴向长度的增加,管道爆破压力值仅下降了3.5%;而缺陷深度对N80Q管道修复后的强度影响较明显,与无缺陷管道相比, 6 mm深缺陷管道修复后爆破压力值下降了9.9%, 7 mm深缺陷管道修复后爆破压力值下降了20.6%。     

连续玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料抗冲击性能研究

制备了连续玄武岩纤维增强的环氧树脂基复合材料靶板,并进行了抗冲击性能测试,研究了影响其抗冲击性能的主要因素及抗冲击机理.结果表明,表面处理会使复合材料抗冲击性能下降;而降低织物面密度、提高纤维体积含量可以使复合材料抗冲击性能得到提高.复合材料靶板的主要能量吸收形式为靶板局部变形、分层和纤维拉伸、剪切断裂及纤维拔脱.     

羟基硅油改性酚醛树脂基碳纤维复合材料特性研究

利用FT-IR、SEM、拉伸试验等测试方法分析了羟基硅油改性酚醛树脂基碳纤维复合材料机理，并对羟基硅油改性酚醛树脂基碳纤维复合材料特性进行了研究。实验结果表明：羟基硅油能有效改善界面结合状态，提高酚醛树脂基碳纤维复合材料的拉伸强度，为合理调整原料配比，控制生产工艺参数，获得综合性能优异的复合材料奠定了基础。     

空心微珠-碳纤维共混改性聚酰亚胺复合材料的摩擦学性能

通过模压成型制备了碳纤维与空心微珠共混改性的聚酰亚胺复合材料, 采用MRH-3型摩擦磨损试验机研究了空心微珠含量、滑动速度及载荷对复合材料摩擦学性能的影响, 并对其磨损形貌及机制进行了分析。结果表明: 空心微珠-碳纤维/聚酰亚胺复合材料摩擦学性能优于其单独填充的聚酰亚胺基复合材料; 空心微珠含量对共混改性的复合材料摩擦系数影响不大, 但其磨损率随着空心微珠含量的增加先减小后增大; 15%空心微珠-10%碳纤维(质量分数)共混增强的复合材料的减摩耐磨性能最佳; 随着滑动速度提高, 空心微珠-碳纤维/聚酰亚胺复合材料的摩擦系数下降, 磨损率增大; 空心微珠-碳纤维/聚酰亚胺复合材料摩擦系数随着载荷增加先下降后上升, 而磨损率则随着载荷增加而增大; 空心微珠-碳纤维/聚酰亚胺的主要磨损机制在较低载荷时为磨粒磨损, 在较高载荷时为粘着磨损和磨粒磨损。     

碳纤维增强油井水泥石的力学性能

油井水泥石在井下易脆裂,造成油井层间封隔失效,进而影响油井开采。为了解决这一问题,需要对水泥石进行降脆增韧。首先,考察了甲基纤维素和羧甲基纤维素对碳纤维的分散效果;然后,研究了碳纤维对油井水泥石抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度的影响,并模拟井下环境测试了水泥石单轴和三轴应力-应变曲线;最后,使用扫描电子显微镜对碳纤维增强水泥石的微观形貌进行观察,探讨碳纤维对水泥石的增韧机制。结果表明:0.2wt%的羧甲基纤维素溶液可有效分散碳纤维;养护28d后,0.3wt%碳纤维增强水泥石的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度较纯水泥石的分别提高8.6%、31.5%和52.4%,三轴直接加载条件下,其弹性模量较纯水泥石的低49.5%;经过分散的碳纤维在水泥石中乱向分布,形成三维网络结构,通过桥联、剥离及拔出耗能作用增强水泥石。研究结果为解决油井水泥石易脆裂的问题提供了理论参考。