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。      

一种碳纤维预浸料维修补片的固化工艺与性能

碳纤维预浸料作为外场胶结维修补片的主要材料，其固化工艺将直接影响补片的微观结构和力学性能。针对一种碳纤维预浸料进行差示扫描量热测试，研究预浸料的固化反应特征温度和固化动力学参数，并对不同固化工艺的维修补片进行微观形貌分析和拉伸性能测试。结果表明，不同固化保温时间得到的试样样条拉伸性能有明显差别，且拉伸强度和弹性模量随固化保温时间的增加而增大，充分的固化使得试件性能变得更为均匀，但拉伸破坏应变保持不变。保温时间越长，随着固化度的增加，树脂和碳纤结合地更加良好，因此复合材料的拉伸性能更好。该碳纤维预浸料在温度436.4K条件下固化，并保温120min制作的维修补片具有最佳拉伸力学性能。     

一种碳纤维/环氧预浸料的微波固化特性及其层合板的微波固化工艺研究

采用差示扫描量热法(DSC)和傅里叶变换红外光谱法(FTIR)研究一种碳纤维/环氧预浸料在微波辐射下的固化特性,并对碳纤维/环氧预浸料层合板的微波固化-真空袋成型工艺中存在的真空袋易过热破损的问题进行研究。结果表明:与热固化相比,微波固化能够明显缩短固化时间,而且不会改变最终固化产物的分子结构;碳纤维/环氧预浸料的尺寸大小对其微波固化行为有一定的影响;通过控制微波功率,可以有效地解决在碳纤维/环氧复合材料微波固化过程中存在的真空袋过热破损的问题,且微波固化可获得固化时间控制在60min左右、固化度达95%以上的碳纤维/环氧复合材料层合板,微波固化时间比传统热固化(固化时间大于2h)缩短了一半以上。     

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。     

碳纤维/玻璃纤维混织布及其环氧复合材料

碳纤维和玻璃纤维混合增强树脂基复合材料目前都用单丝铺放工艺。为了改善单向预浸料的工艺性能,开发了碳纤维和玻璃纤维混织布。用它们制备复合材料,操作方便,可用手糊或模压工艺。根据设计需要,可调整混织布的经纬比例和布的构造,以获最佳性能/价格比。本文通过六种混织布/环氧复合材料的力学性能测定和估算,表明其拉伸和弯曲的强度和弹性模量符合“混合律”。在碳纤维占总纤维的体积分量为26%时出现最低的复合材料强度,而碳纤维的体积分量超过53%时才对复合材料的强度和弹性模量部有提高。      

结构参数对树脂基纤维编织复合材料折叠夹芯结构力学性能的影响

折叠夹芯结构是一种新型的复合材料夹芯结构,其结构参数对力学性能有重要的影响。文中以碳纤维和Kevlar平纹编织预浸料为芯材原料,采用热压工艺,制备了复合材料折叠夹芯结构试样。通过压缩试验得到不同条件下折叠夹芯结构在静态压缩载荷作用下的力-位移变化曲线。构建了复合材料折叠夹芯结构有限元模型,对不同结构参数复合材料折叠夹芯的力学性能进行了数值模拟分析,并将模拟结果与实验结果进行对比验证了模型的可靠性。实验及数值模拟的分析结果表明,随着芯材厚度的增加,折叠夹芯层的压缩强度呈线性增加,其破坏形式由假塑性变形逐渐向脆性破坏转化;面板对夹芯层的约束作用能够极大地提高压缩模量和强度,而且上下面板对压缩性能曲线有着不同的影响;折叠夹芯单元的高度、长度、折叠夹角等参数对其力学性能具有不同程度的影响。     

两步法回收碳纤维增强高温环氧树脂复合材料的研究

以碳纤维/高温环氧(CF/HTEP)预浸料为原料，采用两步高温热分解方法裂解回收碳纤维增强高温环氧树脂复合材料中的碳纤维。第一步将CF/HTEP预浸料样品在不同温度的氮气保护下进行热分解；第二步将第一步处理过的样品在600℃空气中热分解处理。通过分析天平称量热分解前后样品的质量变化，计算基体树脂分解率；采用电镜观察不同样品的表面形貌；采用单丝拉伸性能测试回收碳纤维的力学性能。结果表明，通过两步高温热处理方法能够使基体树脂完全分解，获得表面质量良好的回收碳纤维；在850℃氮气中热处理120min,再在600℃空气中处理20min获得的回收碳纤维力学性能最好，拉伸强度保留90.4%。     

碳纤维/环氧树脂预浸带铺放应力场及制品微观结构的模拟与实验

碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料在铺放成型时,由于树脂基体与碳纤维之间的热膨胀系数存在差异以及成型时热-力参数作用下由于纤维的变形而导致纤维与基体接触处产生应力集中等原因,在制品材料中会产生热残余应力。针对碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料的实际结构特点,利用ABAQUS有限元软件建立含有界面的碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料的细观代表性体积单元(Representative volume element, RVE)有限元模型,采用实验研究和有限元仿真分析的方法,研究在温度-压力参数作用下预浸带铺放制品残余应力的分布规律及影响机理。首先,建立预浸带铺放时的温度和压力模型,研究不同温度和压力参数条件下碳纤维/环氧树脂预浸带铺放制品残余应力的分布情况。其次,采用耦合降温法模拟碳纤维/环氧树脂预浸带残余应力随纤维体积含量、铺放压力以及铺放温度的变化规律,并采用扫描电镜对不同工艺参数条件下预浸带铺放制品的微观结构进行分析。通过对模拟结果进行分析比较得到各因素对制品残余应力的基本影响规律;最后进行不同温度和压力等铺放参数对预浸带铺放成型时残余应力影响的实验测试研究。      

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。      

HF30F-24K碳纤维经编织物性能分析

对国产HF30F-24K碳纤维的力学性能、表截面形貌、单向和0°/90°经编织物性能及其复合材料性能进行了测试分析，结果表明：HF30F-24K碳纤维拉伸强度达到5000MPa以上，拉伸模量超过250GPa,且拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率的离散系数即C_v值全部低于5%,该产品具有较好的力学性能和稳定性，并具有典型的湿法纺丝工艺特点；HF30F-24K碳纤维单向织物经向断裂强力达到了3800N/25mm以上，0°/90°经编织物经向断裂强力超过了2800N/25mm,纬向断裂强力大于2600N/25mm; HF30F-24K碳纤维单向和0°/90°经编织物复合材料层间剪切强度分别为125.8MPa和77.2MPa,体现了湿法纺丝工艺碳纤维的界面结合优势，HF30F-24K碳纤维的单向和0°/90°经编织物预浸料复合材料也因此表现出较好的拉伸、压缩、弯曲性能。     

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.     

PEK-C膜层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能

为探究热塑性酚酞基聚醚酮（Polyaryletherketone with Cardo,PEK-C）树脂薄膜及膜厚对层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响,利用浸渍提拉法制备了三种不同厚度（分别约为1 μm、10 μm、30 μm）的PEK-C膜,通过热压成型制备了层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料层合板,对其进行了Ⅰ型层间断裂韧性、冲击后压缩强度、层间剪切及弯曲性能测试,并利用SEM观察微观形貌及AFM扫描微观相图。结果表明:不同PEK-C膜厚增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性、冲击后压缩强度及层间剪切强度有不同程度提高,Ⅰ型层间断裂韧性及层间剪切强度以膜厚为10 μm最佳,分别增大了157.17%和17.57%,冲击后压缩强度以膜厚为30 μm最佳,达到了186.67 MPa,这是由于PEK-C与环氧树脂在热压固化过程中形成了双相结构,改善了材料韧性;但弯曲性能持续下降,强度及模量由未增韧的1 551 MPa、106 GPa分别降至30 μm时的965 MPa、79 GPa,这是由于PEK-C树脂扩散进入环氧树脂中,降低了纤维体积分数及材料刚度。      

Electrophoretic deposition of aramid nanofibers on carbon fibers for highly enhanced interfacial adhesion at low content

Here, an anodic electrophoretic deposition was adopted to facilitate the large-scale uniform coating of nano-fillers onto carbon fibers to enhance the interfacial properties between carbon fibers and epoxy matrix. As interface–reinforcing materials, aramid nanofibers were introduced because of their superior mechanical properties and epoxy matrix-friendly functional groups. Furthermore, aramid nanofibers can be readily coated on carbon fibers via electrophoretic deposition because they are negatively-charged in solution with high electrical mobility. Finally, aramid nanofiber-coated carbon fibers showed significantly improved interfacial properties such as higher surface free energy and interfacial shear strengths (39.7% and 34.9% increases, respectively) than those of a pristine carbon fiber despite a very small amount of embedding (0.025 wt% of aramid nanofibers in a carbon fiber), and the short beam strength of the laminated composite prepared with the aramid nanofiber-coated carbon fibers was also improved by 17.0% compared to a non-modified composite.     

碳纤维增强复合材料中改性木质素的应用

目的 解决碳纤维增强环氧树脂复合材料中由双酚A合成的环氧树脂成本高、危害环境与健康、耐化学性差的问题,使木质素代替双酚A合成环氧树脂来制备碳纤维复合材料。方法 通过综述木质素在环氧树脂合成中的改性方法与合成方案的研究进展,分析碳纤维复合材料成型工艺的优缺点。结论 采用不同方法对木质素进行化学改性,可在降低成本的同时提高热稳定性与耐化学性等各项性能。用改性或降解木质素来合成碳纤维复合材料的环氧树脂基体为碳纤维增强材料的研究提供了新的研究方向,对碳纤维增强材料降低成本、提高性能和促进行业发展都具有积极作用。     

炭纤维物理性能对C/C复合材料氧化性能的影响

用相同牌号的T700炭布长纤维和炭毡短纤维交替叠层作为坯体，通过化学气相沉积（CVD）法生产二维C／C复合材料，尽管两种纤维具有很相近的结构和石墨化度，并经历相同的热处理过程，但同一C／C试样在随后的变温氧化和等温氧化过程中存在两个主要的氧化方向，一个是热解炭基体优先于炭布氧化，另一个是炭毡纤维优先于炭基体氧化。研究表明，两种纤维的物理性能（如表面积、孔径分布和总孔体积）有显著差别，即两种纤维的微孔结构和孔径分布有很大差别，从3－10nm，炭毡纤维的分布峰值比炭布纤维大得多，炭毡纤维的累积吸附孔体积的增长也比炭布纤维快，而且炭毡纤维的最大孔径比炭布纤维的大得多。正是这些因素使得炭布纤维比炭毡纤维具有更强的抗氧化性，导致了其抗氧化和氧化活性的明显不同。因此，即使炭布纤维和炭毡纤维具有相同的结构，并经过同样的热处理过程，在被用作坯体生产C／C复合材料前，应仔细考虑其物理性能。     

Dielectric properties of epoxy/short carbon fiber composites

The dielectric properties of epoxy/short carbon fiber composites at different concentrations 0, 5, 10 and 15% by weight, different thicknesses 2 and 4 mm, and frequency in the range from 20 Hz to 1 MHz were characterized. Scanning electron microscopy and differential scanning calorimetry were utilized. The alternating current (ac) electrical properties (complex impedance, dielectric constant, dielectric loss, real part of electric modulus, imaginary part of electric modulus, electrical conductivity, and relaxation time) were determined. It was found that the applied frequency, filler concentrations, and composite thickness affected the ac electrical properties of the epoxy/carbon fiber composites. The dielectric behaviors of the interfacial polarization between epoxy matrix and carbon fibers could be described by the Maxwell–Wagner–Sillars relaxation. The analysis of the complex electric modulus in the frequency range from 20 Hz to 1 MHz revealed that the interfacial relaxation followed the Cole–Davidson distribution of relaxation times. The universal power-law of ac conductivity was observed in the epoxy/carbon fiber composites. The calculated power exponent (near unity) is physically acceptable within this applied model.     

碳纤维导电复合材料的电学性能研究

研究了FR－4溴化环氧树脂玻璃布和碳纤维导电纸层压复合面状发热板的电学性能,结果表明：溴化环氧树脂固化过程对其电性能产生影响,对于不同规格的导电纸,其电阻下降率不同。面状发热板的电阻在升温和降温过程中存在不同程度的偏离,呈现PTC或NTC效应,数次热循环后,可以使室温电阻保持恒定。发热板的电阻随通电时间的延长而逐渐下降并趋于稳定,通断电次数对基电阻影响不大,在长期通电使用下能保持其功能稳定性,发热板的功率密度与表面温度呈现良好的线性关系。     

碳纳米纤维纸-玻纤/环氧复合材料对风力发电叶片的影响

针对风力发电叶片在多风沙环境下的固体粒子冲蚀磨损行为, 研究了风力发电叶片专用环氧树脂(EPIKOTE^TM RIM 135、EPIKURE^TM RIM H 137)、传统玻纤增强环氧复合材料和新型碳纳米纤维纸-玻纤/环氧复合材料的固体粒子冲蚀磨损行为, 并测试了不同材料的玻璃化转变温度, 进而对比分析了其对冲蚀磨损的影响; 针对风力发电叶片在寒冷环境下表面容易结冰的现象, 研究了上述三种材料表面的疏水性能, 并测试了它们对水的接触角大小。结果表明: 碳纳米纤维纸-玻纤/环氧复合材料具有良好的界面结合, 且碳纳米纤维纸的引入提高了碳纳米纤维纸-玻纤/环氧复合材料的玻璃化转变温度(从55 ℃提高到63 ℃), 从而改善了其耐固体粒子冲蚀磨损性能; 同时, 碳纳米纤维纸的加入改善了碳纳米纤维纸-玻纤/环氧复合材料的表面疏水性能(接触角从104°提高到131°)。     

Nd∶YAG激光辐照碳纤维复合材料的质量烧蚀

 通过实验研究了连续Nd：YAG激光辐照下碳纤维环氧树脂复合材料的质量烧蚀规律。结果表明：当激光功率密度大于 10 kW/cm2 时,材料烧蚀质量与激光辐照能量成正比关系;在同样激光辐照能量下,半径为0.65mm的激光辐照引起的复合材料的质量烧蚀率比半径为5.5mm的激光辐照的结果大一倍;激光功率在燃烧阈值附近时,燃烧现象引起质量烧蚀率的波动。