预浸料的超薄化对碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸破坏行为的影响

采用自主研发的碳纤维（CF）宽展设备,将12K CF宽展预浸制备成0.02 mm和0.10 mm厚的CF/环氧树脂（EP）预浸料,利用模压工艺制成1 mm厚的单向层合板。利用万能试验机、声发射装置和高速照相机组成的集成系统测试其抗拉强度、加载过程中试样内部的损伤情况及断裂破坏时样品宏观形貌的变化。用SEM观测其拉伸断口形貌。分别用超景深显微镜、金相显微镜观测记录CF/EP复合材料预浸料和单向层合板中CF的排布状态以表征薄层化过程中CF和EP的分布状态对CF/EP复合材料拉伸性能的影响。结果表明:薄CF/EP复合材料预浸料中CF的排布更加均匀,制成的CF/EP复合材料单向层合板试样中层间树脂富集区的尺度明显小于厚CF/EP复合材料预浸料制成的试样,试样的抗拉强度提高了15%;薄CF/EP复合材料预浸料制成层合板试样的拉伸宏观断口形貌中分层劈裂现象减少,集束性增强,微观断口形貌中未发现横贯横截面的穿透裂纹。      

碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的形状记忆效应

为推动形状记忆聚合物在空间等极端恶劣环境中的应用,以超薄碳纤维增强聚醚醚酮(Carbon fibers reinforced polyether-ether-ketone,CF/PEEK)预浸料为实验对象,采用薄膜叠层与热压成型工艺制备厚度为0.036 mm超薄预浸料的层合片材,研究了其在热应力驱动下的形状记忆行为。结果表明,在320℃加热-冷却热循环温度场的作用下,CF/PEEK复合材料超薄层合板的初始变形的形状回复率近似可达100%,当变形循环达到100次时,其形状回复率仍然可以保持在90%以上。此外,根据层合板变形的温度与应力-应变关系,解释了CF/PEEK复合材料的热应力驱动变形机制。在此基础上,改变CF/PEEK层合板厚度进行仿真设计,实现了初始状态与深海珊瑚形状、立方体、灯笼草形状之间的变形与回复。利用记忆变形产生的机械夹紧力,完成了硬币抓取实验,验证了CF/PEEK复合材料在主动变形结构应用的可行性。      

碳纤维/聚醚醚酮单向带各向异性导电行为的尺度效应

具有导电各向异性的高分子复合材料(ACPCs)在场发射装置及传感器设计领域具有重要应用。常规的ACPCs很难获得超大导电各向异性系数,且力学性能有限。本文采用碳纤维(CF)宽展、表面浸润与树脂复合一体化超薄热塑性单向带制备方法,制备厚度为0.04 mm和0.1 mm的CF增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料单向带,以PEEK纤维为纬线制备CF/PEEK复合材料单向编织布,采用热成型工艺制备CF/PEEK复合材料单向层合板。利用数字万用表和霍尔效应系统测试层合板面内及厚度方向的电阻率和面内的电子迁移率;采用超景深显微镜观察CF/PEEK复合材料单向层合板面内和厚度方向的纤维排列形貌。结果表明,超薄CF/PEEK复合材料单向层合板面内(纤维方向与横向)导电率之比高达377,而面内横向和厚度方向的导电率之比接近1,表明CF/PEEK复合材料获得了良好的横观各向同性;超薄化CF/PEEK复合材料的面内电子迁移行为同样具有巨大的各向异性,这一结果为CF/PEEK复合材料在场发射器件、传感器设计及其灵敏度调控方面提供了实验基础。      

碳纤维/尼龙6预浸料的制备及盒体的热冲压成型工艺

首先利用自主设计的熔融浸渍机头制备了60 mm幅宽的连续碳纤维增强尼龙6（CF/PA6）热塑单向带,并利用快速热冲压成型技术制备了CF/PA6复合材料矩形盒体。结果显示,在CF/PA6预浸料制备过程中,纤维展纱包覆角与纤维展宽呈线性关系;预紧力增加展纱宽度的同时,牵引力会呈指数急剧上升,因此应避免大的预紧力;CF/PA6预浸料的浸渍质量随牵引速度的增加而降低;预热有利于改善高浸渍速度下的浸渍质量。在热冲压成型过程中,CF/PA6复合材料的最佳预热温度为260~280℃,模具温度为130~160℃,并应经过预压实。      

单向碳纤维增强树脂基复合材料的超低温力学性能

采用真空袋-热压罐工艺制备单向碳纤维增强树脂基复合材料(CFs/EP)层合板,并将高低温试验箱与万能试验机相结合,通过合理使用低温胶和低温引伸计,并在降温过程中实施应力-应变实时调零等关键技术,在室温和液氧超低温度(-183℃)下对单向CFs/EP层合板进行拉伸和弯曲试验,研究了其超低温力学性能,并根据室温和超低温试验后试样的微观和宏观特征,揭示了超低温环境下复合材料力学性能变化机制。结果表明,与室温力学性能相比,单向CFs/EP层合板超低温拉伸强度下降约为9.5%,而拉伸模量上升约为6.2%,主要是由于超低温环境下,树脂的收缩使绝大部分碳纤维与树脂间形成了强界面,拉伸后试样呈"劈裂式"破坏形式,无法使每根纤维都充分发挥其强度,拉伸强度下降,同时超低温也限制了树脂大分子链的运动,所以导致单向CFs/EP层合板拉伸模量上升;单向CFs/EP层合板超低温弯曲强度和弯曲模量分别提高约54.75%和11.64%,这是由于单向CFs/EP层合板的常温和超低温的弯曲破坏形式均为分层剪切破坏,超低温下复合材料的界面增强,提高了单向CFs/EP层合板抵抗剪切分层的能力,进而使CFs/EP的弯曲性能得到提高。     

玻璃纤维-碳纤维混杂增强PCBT复合材料层合板的制备及低速冲击性能

采用环状对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)预浸料,利用真空袋辅助热压工艺制备了玻璃纤维机织布-碳纤维机织布/聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(GF-CF/PCBT)混杂复合材料层合板。利用双悬臂梁(DCB)和三点端部开口弯曲(3ENF)试验对连续纤维增强PCBT复合材料层合板的层间强度做出评估。同时,利用低速冲击试验结合Abaqus/Explicit有限元仿真重点考察了混杂纤维增强PCBT复合材料层合板的低速冲击性能。试验结果表明:尽管CF/PCBT复合材料层合板具有优异的层间性能,当冲击能量为114.3J时,由于CF自身的脆性,CF/PCBT复合材料层合板被完全穿透,而GF-CF/PCBT混杂复合材料层合板只在表面形成凹痕。与纯CF增强PCBT复合材料层合板相比,铺层形式为[CF/GF/CF]25的GF-CF/PCBT混杂复合材料层合板的抗冲击损伤能力提高2倍。仿真得到的云图显示,冲击引起的应力在CF中的分布区域要明显大于在GF中的分布区域。     

水环境对热塑性复合材料层合板分层疲劳裂纹扩展的影响

本文研究了水环境对ICIAPC-2热塑性预浸料(AS4/PEEK)制成的单向复合材料层合板分层疲劳裂纹扩展的影响.用双悬臂梁试件进行了I型张开位移加载试验.试验环境为23℃水中和50℃水中.水环境未引起很大的不利影响.用电子显微镜和机理分析讨论了水环境对CF/PEEK和CF/环氧两种层合板的差异.     

水环境对热塑性复合材料层合板分层疲劳裂纹扩展的影响

本文研究了水环境对ICIAPC-2热塑性预浸料(AS4/PEEK)制成的单向复合材料层合板分层疲劳裂纹扩展的影响.用双悬臂梁试件进行了I型张开位移加载试验.试验环境为23℃水中和50℃水中.水环境未引起很大的不利影响.用电子显微镜和机理分析讨论了水环境对CF/PEEK和CF/环氧两种层合板的差异.      

纤维复合材料层合板内埋光纤光栅传感器的保护技术

内埋的光纤Bragg光栅（FBG）传感器的存活率及测试精度是其在线监测纤维增强树脂基复合材料制备和服役状态的重要前提。采用[90₁₁/0₁₁]的碳纤维预浸料铺层方式,在层合板0°和45°方向的典型位置埋入FBG温度和应变传感器,采用模压成型工艺制备复合材料层合板。在异向铺排（光纤光栅方向与碳纤维方向不同）的45°方向光纤光栅传感器内埋于碳纤维预浸料层间的过程中,对其采用4种不同的保护方式。通过对比实验结果发现:当对异向铺排的FBG传感器不采取保护措施时,在加热加压复合材料时光纤光栅容易失活;整层铺设同向预浸料以保护异向铺排的FBG传感器的方式改变了具有特定铺层参数复合材料的力学性能;采用窄长条同向预浸料上下包埋保护FBG传感器的方式增大了应变光栅测量结果的系统误差;采用窄长条同向预浸料上下包埋并在邻近铺层开凹槽的保护方式能明显提高内埋光纤光栅的存活率及测试精度。      

碳纳米管加入方式对碳纤维/环氧树脂复合材料层间性能的影响

针对碳纤维/环氧树脂预浸料,对比了直接在树脂中加入碳纳米管(CNTs)后制备预浸料以及将CNTs喷涂在预浸料表面2种CNTs加入方式对CNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料层合板I型与II型层间断裂韧性及层间剪切强度的影响。通过对树脂黏度、固化反应以及玻璃化转变温度的考察,分析了CNTs含量对树脂性能的影响,考察了添加方法对CNTs长度与形态的影响。分析了2种CNTs加入方式对CNTs-碳纤维/环氧树脂层合板断裂韧性及层间剪切强度的改善效果与作用规律。结果表明:CNTs的加入使树脂的黏度提高,固化反应程度下降;2种分散方法对CNTs的长度与形态无明显影响;直接在树脂中加入CNTs对CNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料I型与II型层间断裂韧性的提高效果低于在碳纤维/环氧树脂预浸料表面喷涂CNTs的方式,后者的CNTs利用率较高;由于CNTs团聚及对树脂固化反应的影响,CNTs含量过高会使得其对CNTs-碳纤维/环氧树脂层合板的增韧效果下降。     

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.     

Influence of fabric structure and thickness on the ballistic impact behavior of Ultrahigh molecular weight polyethylene composite laminate

This paper presents the influence of fabric structure and thickness on the ballistic impact behavior of Ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) composite laminate. UHMWPE composite laminates, reinforced by three kinds of fabric structures, unidirectional prepreg, 2D plain-woven and 3D single-ply orthogonal woven fabrics, were fabricated via hot pressing curing process. Through a series of standard ballistic tests, we demonstrated that unidirectional composite laminates exhibit higher ballistic impact velocity and absorbed energy capacity compared to others. A bi-linear relationship was found between the ballistic limit velocity and specimen thickness. Furthermore, the dominant failure mechanisms of unidirectional composite laminates were identified to be plugging and hole friction for thin laminates, whereas delamination, fiber tension and bulging for thick ones.     

聚吡咯/碳纤维纸电热复合材料的制备及性能

在碳纤维纸（CPP）上采用气相聚合法使吡咯单体发生聚合生成聚吡咯（PPY）,制备聚吡咯/碳纤维（PPY/CF）纸导电发热复合材料。通过FTIR、SEM、XRD对PPY/CF纸复合材料进行测试分析,并探究了CPP中CF的最佳质量分数及FeCl₃的最优溶度,研究了PPY/CF纸复合材料的力学性能和电热性能。结果表明,成功制备了PPY/CF纸复合材料,且PPY主要附着在芳纶浆粕上;采用CF质量分数为10 wt%的CPP且FeCl₃浓度为1.2 mol/L时,制备的PPY/CF纸复合材料具有最低的电阻率,为0.139 Ω·cm;PPY/CF纸复合材料与CPP相比不仅力学性能大幅提高,而且在低电压下,PPY/CF纸复合材料具有导电性能稳定、发热效果显著、热稳定性好等优点。      

孔隙对碳纤维增强环氧树脂复合材料超声衰减系数及压缩性能的影响

孔隙对碳纤维增强环氧树脂（CF/EP）复合材料的力学性能和破坏模式有显著的影响,因此需要建立准确的孔隙率无损检测评估方法,并基于所评估的孔隙率提高CF/EP复合材料压缩性能预测的可靠性。本文主要研究了孔隙对CF/EP复合材料的超声衰减系数和压缩性能的影响,通过降低固化压力至0.7~0.2 MPa和延长预浸料室温贮存时间至30~180天的方法,制备了不同孔隙率的CF/EP复合材料层压板,通过金相验证其孔隙率在0%~3.0%之间,孔隙类型主要为层中孔隙和层间孔隙。通过理论和试验的方法,基于超声反射法建立了孔隙率与超声衰减系数的关系曲线,由孔隙引起超声衰减系数为α_v=1.08P_v2(P_v为孔隙率),与前人基于超声穿透法所得的超声衰减系数α_v=0.61P_v2较好地符合2倍声程的关系。对不同孔隙率的CF/EP复合材料层压板进行压缩测试实验,特别考虑了贴片和加载方向对测试结果的影响。从细观角度研究了含孔隙的CF/EP复合材料层压板的压缩破坏模式。结果表明:CF/EP复合材料层压板的压缩强度随孔隙率增加而下降,孔隙率增加至2.5%时,压缩强度下降13.7%,孔隙细观特征影响压缩破坏的形式,主要原因是孔隙诱发微裂纹的萌生和扩展,削弱了纤维与树脂间的结合力并引发纤维微屈曲。      

氧化石墨烯改性碳纤维/环氧树脂复合材料的湿热性能及微观形貌

采用湿法预浸技术和模压工艺制备了氧化石墨烯(GO)改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料,研究了 GO在室温干态及湿热处理后对CF/EP复合材料动态热力学性能和层间剪切性能的影响,并通过微观形貌分析了复合材料的改性机制.结果表明,当GO添加量分别为0.5％和0.8％时,GO-CF/EP复合材料的玻璃化转变温度(Tg...     

Processing and properties of carbon fiber/Triple-A polyimide composites fabricated from imide oligomer dry prepreg

Triple-A polyimide (TriA-PI) concept, “amorphous, asymmetric, and addition type”, was originally proposed by Yokota in 1999 for high temperature polymer matrix composites. The first version polyimide “TriA-PI-1” was developed from a-BPDA (2,3,3′,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride), 4,4′-oxydianiline (4,4′-ODA), and phenylethynyl phthalic anhydride (PEPA). The cured polyimide exhibits excellent mechanical properties with high glass transition temperature.In this study, a new prepreg system, namely imide-oligomer dry prepreg was developed by impregnating imide-oligomer into unidirectional carbon fiber bundles directly. Carbon fiber/TriA-PI-1 composites were fabricated from the imide-oligomer dry prepreg, and mechanical properties were evaluated. It was demonstrated that the TriA-PI-1 composite exhibits excellent compressive and tensile strengths at 300 °C as well as room temperature. It was easy to make a high quality composite laminate without complicated process using imide-oligomer dry prepreg.     

纤维增强树脂基复合材料拼接结构拉伸性能

为了解拼接结构的力学特性,更好地设计高强度的拼接结构,测试了三种含拼接结构的单向碳纤维增强环氧树脂基(CF/EP)层合板复合材料的拉伸性能,通过监测结构在拉伸过程中的形态分析其破坏特点,并利用有限元软件对不同拼接结构的拉伸过程进行模拟,分析拼接结构受拉过程中的受力特点。所有材料均采用真空辅助灌注工艺(VARTM)获得。结果表明,拼接结构的引入大大降低了CF/EP材料的拉伸强度;由于拼接位置产生明显的应力集中,结构破坏从拼接位置开始,最终破坏模式为层间破坏;拼接位置处的剪切应力和侧向拉伸应力是结构发生初始破坏的主要因素;为了尽可能避免产生拼接位置处的剪切应力和侧向拉伸应力以提高结构强度,应尽可能设计为对称结构。