纳米Al2O3改性玻璃纤维增强复合材料低温力学性能研究

简述了纳米Al2O3改性玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的制备,并对其常温、低温力学性能进行实验。结果表明,常温、低温下,复合材料的力学性能随着纳米Al2O3含量的增加都呈现先增强后减弱的趋势。低温处理使复合材料的力学性能得到提升,并且低温下Al2O3的引入对复合材料强度的改善效果比常温下明显,Al2O3含量为1%(质量分数)时,拉伸强度提高比例高达16.61%。其原因是低温下基体强度增大,另外基体热膨胀系数大,收缩明显,界面粘接强度增大,纳米Al2O3颗粒在界面处与树脂基体结合更深入,从而使纳米粒子阻碍微裂纹扩展的能力更强。     

纳米SiO_2/环氧树脂复合材料的制备方法与性能关系

采用超声分散、机械剪切搅拌和纳米SiO_2粒子表面处理等多种分散工艺,制备了纳米SiO_2/环氧树脂复合材料。采用SEM、电子拉力机、粘弹谱仪和脉冲声管测试系统分别研究了纳米SiO_2/环氧树脂复合材料的微观结构、拉伸性能、动态力学性能和水声性能。结果表明,超声波分散法以及预处理法能够将纳米SiO_2粒子均匀分散在环氧树脂基体中,并且SiO_2粒子呈纳米尺度分布在环氧基体中。相对纯环氧树脂材料,纳米SiO_2/环氧树脂复合材料的拉伸强度提高了5%—30%,伸长率提高了2%—14%;储能模量随纳米SiO_2粒子的加入与均匀分散而提高,损耗因子则略有下降;吸声系数相对纯环氧树脂材料提高了6—10倍;而且纳米SiO_2/环氧树脂复合材料的常规力学性能、动态力学性能以及水声性能受纳米粒子的分散效果影响明显,分散越均匀,变化越大。     

PMMA/纳米SiO2纳米复合材料的制备和界面研究

用硅烷偶联剂KH570对纳米SiO2进行修饰改性,采用原位分散聚合法制备了PMMA/纳米SiO2纳米复合材料,用溶解实验、力学性能、SEM和DMA等方法对纳米SiO2粒子和PMMA基体之间的界面相容性进行了表征和研究,由拉伸强度计算出来界面相互作用参数B.结果表明:SiO2在基体中可能起到了交联点的作用;改性后的氧化硅与聚合物基体形成强的界面结合;随着纳米粒子含量的增加,粒子和聚合物基体之间有效的界面相互作用越强.     

改性纳米Si_3N_4/环氧树脂复合材料的摩擦磨损特性

研究纳米氮化硅粒子(Si3N4)填充环氧树脂复合材料的滑动干摩擦磨损特性,着重探讨纳米粒子表面接枝共聚改性、粒子含量对复合材料摩擦磨损性能的影响。通过对复合材料磨损表面的粗糙度及形貌分析探讨复合材料的磨损机理。结果表明,纳米氮化硅粒子能在很低的含量下(0.18%(体积分数,下同))显著提高环氧树脂的耐磨性、并降低其摩擦系数,而经过接枝共聚改性的纳米Si3N4粒子填充的复合材料的上述性能改善更为明显,耐磨性比Si3N4/EP提高3倍,摩擦系数降低20%。这说明,在Si3N4纳米粒子表面进行接枝共聚后,有利于加强粒子与基体的界面结合,从而改善复合材料的摩擦学性能。     

聚丙烯/无机纳米复合材料研究进展

少量纳米粒子可同时实现对聚丙烯(PP)基体的增强增韧并对其力学性能、结晶性能、抗老化及抗茵等性能均会产生一定的影响.用无机纳米粒子改性PP可制备综合性能优异的聚丙烯/无机纳米复合材料,是目前复合材料领域研究的热点.综述了无机纳米粒子改性聚丙烯的最新研究进展,在介绍PP纳米复合材料体系和制备方法的基础上重点对PP纳米复合材料的微观结构、力学性能,结晶和抗老化等性能进行了综述.研究表明少量纳米粒子可大幅度提升基体材料的综合性能,但目前许多文献报道的表面改性和制备技术仍没有解决纳米团聚的难题,特别是要实现工业生产则纳米粒子在PP基体中的分散性尚需进一步改善.     

快速固化碳纳米管/苎麻纤维/环氧树脂复合材料层板的制备与性能

针对植物纤维/树脂基复合材料高性能化问题,本研究以羟基化碳纳米管/无水乙醇分散液预先浸渍苎麻纤维织物,得到了碳纳米管分散均匀的碳纳米管/苎麻纤维多尺度复合织物,并进一步以快速固化环氧树脂为基体,采用真空辅助树脂灌注成型工艺(VARI)制备了碳纳米管改性的苎麻纤维/环氧树脂基复合材料层板(PRFC)。研究结果表明,相比未采用碳纳米管改性的苎麻纤维/环氧树脂复合材料(RFC),PRFC的弯曲强度提高14.7%,冲击强度提高20.9%。相比碳纳米管预先分散于环氧树脂基体中制备的碳纳米管改性苎麻纤维/环氧树脂复合材料(MRFC),PRFC的力学性能提高更显著。同时,PRFC的吸湿性能比MRFC和RFC的明显降低。     

多壁碳纳米管/聚醚砜环氧树脂复合材料的制备及力学性能

环氧树脂具有优异的热性能及力学性能,但本身脆性较大。为制备低成本、高性能的环氧树脂体系,使用聚醚砜（PES）和多壁碳纳米管（MWCNT）对环氧树脂进行增韧,制备了不同PES含量的PES-环氧树脂共混物,讨论了PES含量对环氧树脂力学性能的影响;采用熔融法,并配合使用机械搅拌、高剪切分散和超声分散制备了MWCNT/PES-环氧树脂复合材料,测试了其拉伸性能及断裂韧性,用SEM观察了MWCNT在树脂中的分散状态以及拉伸试样的断口形貌。结果表明：MWCNT的加入能够提高PES-环氧树脂体系的综合力学性能,且当MWCNT含量为0.7wt%时,树脂体系的综合力学性能最好;低PES含量下,小于1.0wt%的MWCNT的加入使材料力学性能超过用20.0wt%PES改性的环氧树脂;PES与MWCNT对环氧树脂具有协同增韧作用。     

高模量树脂基体及高抗压复合材料的研究

以高密度的环氧树脂 TDE-85作为基体,选择不同的固化剂,研制出了三种高模量高强度的树脂体系,并对其力学性能、微观结构、自由体积进行了研究。论文取得了如下创造性的研究成果:(1)制备了拉伸模量大于5.0GPa,压缩模量大于6.0GPa,拉伸强度大于80MPa 的树脂体系,并对其力学性能进行了测试,系统研究了模量与密度之间的关系,同时对其微观断口形貌进行了观察。(2)研究了高模量基体对玻璃纤维增强复合材料单向板各项性能的影响。结果表明,随着基体模量的提高,复合材料的拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、剪切性能显著提高。玻璃纤维复合材料的压缩强度达1337.5MPa,弯曲强度达2324.6MPa。(3)利用纳米材料 SiO_2、TiO_2、α-Al_2O_3、改性双酚 A 型环氧树脂,解决了纳米柱子均匀分散的技术难题。系统研究了纳米拉子对环氧树脂拉伸模量、强度、冲击韧性、热变形温度的影响。以纳米 SiO_2、高强玻璃纤维共同增强环氧树脂,制备了纳米纤维环氧树脂复合材料。这一研究在国内尚未见报道。(4)利用正电子淹没技术测试了自由体积,首次用实验验证了模量与自由体积的密切关系。对于 TDE-85/胺体系,在环氧基/胺摩尔比相同的条件下,浇铸体密度降低,自由体积的尺寸与浓度增大,浇铸体的模量与玻璃化温度降低。纳米粒子的加入,使自由体积尺寸增大,自由体积浓度降低,模量与玻璃化温度升高。     

树脂基体中热塑性树脂含量对碳纤维环氧复合材料Ⅱ型层间断裂韧性的影响

制备了国产CCF800H碳纤维增强环氧树脂基复合材料,通过调控环氧树脂中的热塑性增韧树脂含量,探索热塑性树脂增韧颗粒含量对复合材料Ⅱ型层间断裂韧性的影响,结果表明,在碳纤维对增韧剂颗粒的过滤效应下,热塑性树脂增韧颗粒会在复合材料层间富集,并且随着热塑性树脂增韧剂含量增加,复合材料层间厚度增大.随热塑性树脂增韧剂含量增加,在层间树脂基体韧性及层间高韧树脂厚度增大的共同作用下,复合材料Ⅱ型层间断裂韧性逐步提升.     

石墨烯/氰酸酯-环氧树脂复合材料的制备和性能

为优化石墨烯/氰酸酯(CE)复合材料的制备工艺并提高其韧性,制备了对苯二胺(PPD)功能化的氧化石墨烯(GO-PPD),分别以GO和GO-PPD为添加物,以CE和环氧树脂(质量比为7:3)共混物为基体树脂制备了GO/CE-环氧树脂和GO-PPD/CE-环氧树脂复合材料。采用红外和拉曼光谱表征GO和GO-PPD的结构,并研究了二者在溶剂中的溶解性。GO-PPD在乙醇等低沸点和低毒性的有机溶剂中表现出稳定的溶解性,与GO相比,GO-PPD明显改善了复合材料制备的工艺性。性能研究表明,GO和GO-PPD的加入均会降低基体树脂的固化温度,明显提高其力学性能和热性能,使基体树脂的介电常数和介电损耗显著增大,但仍然基本保持良好的耐湿热性和耐腐蚀性。石墨烯表面的化学性质影响石墨烯/CE-环氧树脂复合材料的综合性能,与GO相比,GO-PPD的加入能更明显提高复合材料的力学性能和耐热性。     

复合材料用环氧树脂的韧化(五)增靱机理的探讨

本文工作研究了复合材料用环氧树脂的韧化。该体系由无规羧基丁腈橡胶,双酚A型环氧树脂,2-乙基-4-甲基咪唑组成。无规羧基丁腈橡胶对环氧树脂的增韧效果以及用增韧环氧树脂作基体材料对复合材料性能的影响已作报导[1,2,3]。本文报导无规羧基丁腈橡胶增韧环氧浇注体在应力下的形变特性及裂缝扩展特征。主要阐述橡胶增韧环氧浇注体受拉应力作用时,产生的两个形变过程——裂纹化与剪切变形,并根据双悬臂梁劈裂试件的断裂面形态,讨论了裂缝亚临界扩展区。     

尼龙6/纳米TiO2及尼龙6/纳米Al2O3原位复合材料的性能

通过原位复合的方法合成了尼龙6／纳米TiO2和尼龙6／纳米Al2O3复合材料，并对材料的力学性能、动态力学行为和光氧化降解行为进行了初步的探讨。结果表明，经钛酸酯偶联剂表面处理的纳米TiO2和纳米Al2O3的加入，可以在一定程度上同时提高尼龙6基体的强度和韧性。此外，氙灯老化实验和XPS测试结果表明，尼龙6／纳米TiO2复合材料具有良好的耐光氧老化降解能力。     

Temperature dependence of fracture toughness of silica/epoxy composites: Related to microstructure of nano- and micro-particles packing

Temperature dependence of the fracture toughness of epoxy composites reinforced with nano- and micro-silica particles was evaluated. Epoxy composites containing varied composition ratios Φ_SP of spherical nano- and micro-silica particles, 240 nm and 1.56 μm, were prepared at a fixed volume fraction (V_P = 0.30). The thermo-viscoelasticity and fracture toughness of the composites and neat epoxy were measured at 143 K, 185 K, 228 K, 296 K, 363 K, and 399 K. Experimental results revealed that fracture toughness strongly depended on the microstructure of nano- and micro-particles bidispersion as well as its interactions with the matrix at all temperature, but depended on toughened matrix due to increase in mobility of matrix at the relaxation temperatures.     

聚砜纳米纤维增韧CFRP的制备及性能

介绍了一种聚砜纳米纤维增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的新方法。无规取向的纳米纤维通过静电纺丝直接将纳米纤维接收于碳纤维/环氧树脂预浸布上,实现增韧复合材料的目的。探讨了混合溶剂(丙酮、DMAC)配比和聚砜纺丝溶液浓度对纳米纤维直径及分布的影响,测试了不同含量的聚砜纳米纤维增韧复合材料的型层间断裂韧性（G_ⅡC）,并同相等含量的聚砜溶剂法膜增韧复合材料性能进行了比较。在聚砜质量分数分别为1%、3%、5%的情况下,纳米纤维增韧复合材料的G_ⅡC分别增加54%、130%、177%,高于溶剂法膜增韧的复合材料。微观结构照片表明,纳米纤维增韧复合材料中,相分离后的聚砜小球贯穿于整个复合材料层间,而且呈现无规取向分布的海岛结构。增韧后复合材料的层间剪切强度（ILSS）都有略微的减小,溶剂法膜增韧后ILSS减小更明显。DMTA试验表明,与溶剂法膜相比较,纳米纤维与环氧树脂基体的相容性更好。      

In-situ toughened CFRP composites by shear-calender orientation and fiber-bundle filtration of PA microparticles at prepreg interlayer

Epoxy matrix toughened by polyethersulfone (PES) and polyamide (PA) microparticles was designed and the in-situ interlaminar toughened carbon fiber/epoxy composites were fabricated. Synergistic toughening effect of PES and PA on epoxy matrix was achieved due to semi-IPN structure of PES toughened matrix and uniform dispersion of PA microparticles. Shear-calender orientation of PA microparticles was found during prepreg processing and the microparticles remained on the surface of prepreg due to fiber-bundle filtration. The in-situ formed toughening interlayer of PA microparticles and interfacial bonding between PA and epoxy matrix were detected, which resulted in enhanced fracture toughness, CAI, and transverse flexural strength of the composite based on the PES/PA synergistically toughened matrix. SEM images of fracture morphology of the composite showed evidence of enhanced plastic deformation created by PES and PA, and crack deflection and bridging by PA microparticles.     

Synchronous effects of multiscale reinforced and toughened CFRP composites by MWNTs-EP/PSF hybrid nanofibers with preferred orientation

MWNTs-EP/PSF (polysulfone) hybrid nanofibers with preferred orientation were directly electrospun onto carbon fiber/epoxy prepregs and interlaminar synchronously reinforced and toughened CFRP composites were successfully fabricated. With MWNTs-EP loading increasing, the oriented nanofibers were obtained accompanying with enhanced alignment of inner MWNTs-EP. Flexural properties and interlaminar shear strength of composites were improved with increasing MWNTs-EP loadings, whereas fracture toughness attained maximum at 10 wt% MWNTs-EP loading and then decreased. Based on these results, multiscale schematic modeling and mechanism schematic of hybrid nanofibers reinforced and toughened composites were suggested. Due to the preferred orientation of nanofibers, MWNTs-EP was inclined to align vertically to carbon fiber direction along the in-plane of interface layer. The proposed network structures, containing four correlative phases of MWNTs-EP/PSF sphere/carbon fiber/epoxy matrix, contributed to simultaneous improvement of strength and toughness of composites, which was realized by crack pinning, crack deflection, crack bridging and effective load transfer.     

烧结助剂对反应热压烧结B4C基复合材料性能的影响

以微米级B₄C粉体为原料,通过与TiO₂葡萄糖原位反应制备TiB₂颗粒增韧B₄C复合材料。研究了烧结温度和烧结助剂对材料烧结行为及力学性能的影响。在1950℃反应热压下获得了相对密度为97.7%的TiB₂/B₄C复合材料,断裂韧性达到5.3 MPa·m1/2。添加Al₂O₃和Si烧结助剂后,分别在1950℃和1900℃ 获得了接近致密的(TiB_2,Al₂O₃)/B₄C和(TiB_2,SiC)/B₄C复合材料,断裂韧性分别提高到7.09和6.35 MPa·m1/2。显微组织分析表明,增韧作用主要来自残余应力引起的裂纹偏转。     

Mode I interlaminar fracture behavior and mechanical properties of CFRPs with nanoclay-filled epoxy matrix

The mechanical properties and fracture behavior of nanocomposites and carbon fiber composites (CFRPs) containing organoclay in the epoxy matrix have been investigated. Morphological studies using TEM and XRD revealed that the clay particles within the epoxy resin were intercalated or orderly exfoliated. The organoclay brought about a significant improvement in flexural modulus, especially in the first few wt% of loading, and the improvement of flexural modulus was at the expense of a reduction in flexural strength. The quasi-static fracture toughness increased, whereas the impact fracture toughness dropped sharply with increasing the clay content.Flexural properties of CFRPs containing organoclay modified epoxy matrix generally followed the trend similar to the epoxy nanocomposite although the variation was much smaller for the CFRPs. Both the initiation and propagation values of mode I interlaminar fracture toughness of CFRP composites increased with increasing clay concentration. In particular, the propagation fracture toughness almost doubled with 7 wt% clay loading. A strong correlation was established between the fracture toughness of organoclay-modified epoxy matrix and the CFRP composite interlaminar fracture toughness.     

热塑性树脂含量对CCF800H碳纤维环氧复合材料Ⅰ型层间断裂韧度的影响

采用国产CCF800H高强中模碳纤维增强环氧制备了复合材料,研究不同热塑性树脂含量对复合材料张开(Ⅰ)型层间断裂韧度的影响,研究表明:随着热塑组分含量的提高,复合材料的裂纹起始应变能量释放率(GⅠC-init)与裂纹稳态扩展应变能量释放率(GⅠC-prop)都获得了大幅度提升,在增韧组分质量分数大于20%时,增韧聚芳醚酰亚胺粉体可在复合材料层间富集形成层间高韧区,并在复合材料层间形成了由"连续相"和"分散相"组成的层间增韧结构。     

纳米Al2O3/聚醚砜-环氧树脂复合材料的介电性能及热稳定性能

本实验制备了纳米Al_2O_3/聚醚砜-环氧树脂复合材料,考察了不同纳米氧化铝和聚醚砜的用量对复合体系力学和介电性能的影响,并对其热稳定性能进行了研究。结果表明:当添加1phr纳米氧化铝(Nano-Al_2O_3)和5phr聚醚砜(PES)时,三元复合材料EP/5PES/1Al_2O_3的拉伸强度提高到58 MPa,断裂伸长率达到13%,冲击强度达到16.2kJ/m~2,相比纯环氧树脂分别提高了61.1%、20.3%和8.0%。而且在100Hz的室温测试条件下,EP/5PES/1Al_2O_3材料的介电常数和介电损耗分别达到7.6和0.016,较纯环氧树脂均有一定幅度的增加。热重分析(TG)结果表明,EP/5PES/1Al_2O_3复合材料的初始分解温度为358℃,比纯环氧树脂提高了14℃,说明热稳定性有较大幅度的提高。