碳纤维网络增强环氧树脂基复合材料的制备与表征

为提高碳纤维/环氧树脂复合材料的刚性和热尺寸稳定性,首先利用短切碳纤维制备了碳纤维网络增强体(CFNR),并将其与环氧树脂复合制备了CFNR/环氧树脂新型复合材料。然后,分别利用扫描电镜和热机械分析仪对CFNR/环氧树脂复合材料的微观结构和热力学性能进行了表征。结果表明:CFNR/环氧树脂复合材料中有明显的网络节点,即碳质粘结点;CFNR/环氧树脂复合材料具有较好的导电性、较高的刚性和较低的热膨胀性,其弹性模量分别为常规短切碳纤维/环氧树脂复合材料及纯环氧树脂的3倍和6倍,平均热膨胀系数(60~200℃)分别为常规短切碳纤维/环氧树脂复合材料的1/15及纯环氧树脂的1/40;随着温度升高,CFNR/环氧树脂复合材料、常规短切碳纤维/环氧树脂复合材料及纯环氧树脂的弹性模量均因环氧树脂变软而降低,当温度高于80℃时,CFNR/环氧树脂复合材料的弹性模量分别约为常规短切碳纤维/环氧树脂复合材料的7倍和纯环氧树脂的近70倍。研究结论可以为开发高刚性、低膨胀聚合物基复合材料提供实验依据和理论指导。     

混杂比对碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料弯曲性能的影响

将玄武岩纤维置于混杂铺层的压缩侧,研究了碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料的弯曲性能及混杂比对其弯曲性能的影响。通过对试样进行三点弯曲试验得到了材料的弯曲性能,并通过扫描电子显微镜观察材料的失效模式。与纯碳纤维增强环氧树脂基复合材料相比,当混杂比为16.7%和33.3%时,混杂复合材料的弯曲强度明显提升,弯曲强度分别提高12.4%和15.2%,但是其弯曲模量随着混杂比的提升而降低。混杂后的材料及玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料的失效位移都高于碳纤维增强环氧树脂基复合材料,断裂韧性明显提升。从侧面观察可以发现不同铺层在压缩侧、拉伸侧和中间层有不同的失效形式。      

国产碳纤维增强树脂基复合材料应变不变量性能

应变不变量失效理论是一种新型的基于物理失效模式的复合材料强度理论, 广泛应用于复合材料结构失效分析。根据该理论, 建立了碳纤维增强树脂基复合材料微观力学模型, 获取树脂基体和纤维不同位置的机械应变放大系数和热应变放大系数。对国产复合材料CCF300/5228、CCF300/5428和T700/5428不同铺层角单向层合板进行拉伸试验, 并根据试验结果得到对应复合材料的应变不变量性能。分析了增强体纤维和树脂基体对复合材料应变不变量性能的影响; 并将应变不变量失效理论应用于国产复合材料失效分析。结果表明碳纤维增强树脂基复合材料应变不变量性能中的第一应变不变量和基体Von-Mises应变临界值取决于树脂, 而纤维Von-Mises应变临界值取决于增强体纤维; 应变不变量失效理论能够用于国产复合材料失效分析。      

空间薄壁CFRP豆荚杆模态试验及分析

空间薄壁CFRP豆荚杆工作时处于悬臂状态,为掌握其结构动态响应,对10 m长的超长薄壳豆荚杆在下端刚接约束下进行模态试验,得到了其模态和频率。利用有限元软件ADINA对试验模型在不考虑和考虑空气的情况下进行数值模拟分析,得到其在下端刚接约束下的模态和频率。数值模拟与试验结果对比分析表明:对于该试验研究对象,沿弱轴方向的基频,不考虑和考虑空气的计算结果和试验的误差分别为36.4%和4.7%,因此在地面试验和数值分析的过程中需要考虑空气与结构耦合的影响。进一步对豆荚杆的杆长进行参数化分析,得到了3~10 m豆荚杆的基频在不考虑空气和考虑空气影响下的偏差。对悬臂薄壁CFRP豆荚杆的设计、应用具有重要参考价值。     

镍涂层短碳纤维增强AZ91D镁基复合材料的界面特征和阻尼性能

使用表面化学镀镍的短碳纤维为增强体、AZ91D粉为基体金属,用粉末冶金法和热挤压工艺制备镁基复合材料,用SEM、TEM-EDS、拉伸和动态热机械分析(DMA)等手段表征其微观形貌、界面结构、力学性能和阻尼性能,研究了金属镍涂层短碳纤维对AZ91D镁基复合材料的界面和阻尼性能的影响。结果表明,碳纤维在复合材料中分布均匀,沿着挤压方向定向排列;镍涂层改善了碳纤维与AZ91D基体之间的润湿性;不同频率的应变谱和G-L特征线都表明:复合材料的阻尼机制,除了位错之外还有其他机制;随着应变频率的提高复合材料的阻尼机制由以界面滑移为主转变为以位错为主。随着温度的升高涂层碳纤维增强镁基复合材料的阻尼容量增大,在250~300℃出现一个阻尼峰。随着频率的提高阻尼峰值的温度移向高温,表现出热激活弛豫过程的特征,根据Arrhenius公式计算出其热激活能(H)为3.448 e V。     

反复荷载作用下碳纤维复合材料力电性能试验研究

碳纤维及其复合材料已广泛应用于土木工程领域,本文针对手工浸渍的环氧树脂基碳纤维布复合材料在反复荷载作用下的力电性能进行了系统的试验研究和分析.研究表明,在反复荷载作用下该类型复合材料的电阻变化率与应变关系曲线表现出与单调荷载作用下不同的新的特征.本文通过对试验结果的分析,进一步验证和深化了对碳纤维复合材料导电机理的认识,为进一步研究土木工程中环氧树脂基碳纤维复合材料的力电性能以及发展可实际应用的地震损伤自监测智能结构奠定了基础.     

连续碳纤维增强水泥基复合材料的传感特性研究

修补和加固的在役混凝土结构需要有效的手段来监测和评定其安全状况。研究了连续碳纤维增强水泥基复合材料三点弯曲梁在不同加载方式下,其电阻与变形之间的变化规律,探究连续碳纤维增强水泥基复合材料的传感特性。结果表明,连续碳纤维增强水泥基复合材料试样的应变-电阻敏感度高于电阻应变片,线性度、滞后性较好,蠕变小,稳定性较好。据此,可将连续碳纤维增强水泥基复合材料用来制作感知结构损伤的传感器,实现对大型土木结构的在线健康监测。如果将其用作修补材料,那么在修补加固破损结构的同时,还可利用其应变-电阻敏感性长期在线动态监测结构的损伤及修补质量。     

纳米SiO_2改性环氧树脂复合材料的热稳定性及使用寿命

利用纳米SiO_2接枝改性环氧树脂,探索改性涂层的热降解过程与动力学模型之间的关系,以便观察其结构及了解其工作温度。利用KH550改性纳米填料,测试不同含量的纳米填料对环氧树脂热稳定性的影响。采用TGA和DTA分析纳米SiO_2改性环氧树脂复合材料热降解过程中的热特征温度,从而确定动力学参数和模型拟合方法。所获得的动力学参数被用来在整个降解过程建模。结果表明:得到的动力学三联体用于构建纳米SiO_2改性环氧树脂基复合材料的降解模型,展示了温度对降解时间以及降解速率的影响程度。得出了环氧树脂的使用寿命及其复合材料工作温度的变化范围。     

碳纤维改性环氧树脂基复合材料的制备及性能研究

以环氧树脂E51为基础材料,碳纤维为增强材料,制备出了不同碳纤维掺杂量(0,3%,6%,9%(质量分数))的改性环氧树脂基复合材料,研究了碳纤维掺杂量对环氧树脂基复合材料力学性能、微观形貌、热稳定性和导热性能的影响。结果表明,适量碳纤维的掺杂提高了环氧树脂基复合材料的力学性能、热稳定性和导热性能。随着碳纤维掺杂量的增加,改性环氧树脂基复合材料的拉伸强度、断裂延伸率、弯曲强度和弯曲模量均先增大后降低,当碳纤维的掺杂量为6%时,复合材料的拉伸强度、断裂延伸率、弯曲强度和弯曲模量均达到了最大值,分别为48.5 MPa, 1.86%,85.6 MPa和3.09 GPa。随着碳纤维掺杂量的增加,复合材料的分解温度和残留量先升高后降低,当碳纤维的掺杂量为6%时,复合材料的分解温度和残留量达到最大,分别为453.7℃和4.9%。复合材料的导热系数随碳纤维掺杂量的增加而增大,当碳纤维的掺杂量<6%时,导热系数增长速率较快。综合分析可知,碳纤维的最佳掺杂量为6%。     

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。      

三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料在两种测量方法下的热响应机制对比

采用瞬态热线法和闪光法分别测量了多种结构参数的三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数。通过对3D正交机织碳纤维/环氧树脂复合材料的有限元模拟可以看出,3D正交机织碳纤维/环氧树脂复合材料内经纱、纬纱和Z向纱的导热作用在不同的受热形式下会发生变化。采用瞬态热线法测量时,2.5D机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数低于2.5D经向增强结构,同时高于3D正交结构,而采用闪光法测量时,2.5D经向增强和3D正交碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数均小于2.5D机织结构。这是由于在使用不同的测量方法时,三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料内部相同的纱线系统在导热过程中所起的作用并不相同。随着纤维体积含量的提高,瞬态热线法和闪光法测得的2.5D机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数都在不断提高。由于经纱的屈曲,采用闪光法测量时,导热性能提升更加明显。研究结果表明,三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料在不同受热形式下具有不同的热响应机制。     

三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩性质的温度效应

采用实验和有限元方法,研究了三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料在低温场（20、0、-50、-100℃）中横向压缩性质温度效应。研究结果表明：温度对碳纤维/环氧树脂横向压缩模量、屈服应力及切向模量均有不同程度影响。三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩后,试样表面形貌受温度影响显著。低温场中,表面鳞纹现象减弱,且纱线-树脂间界面出现开裂。温度降低导致碳纤维/环氧树脂内部产生热应力。热应力对碳纤维/环氧树脂力学性能影响有限,不是温度效应的主导因素。基体性质随温度变化是三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩性质温度效应的主要机制。     

MPCMs/环氧树脂复合材料导热调温性能

目的 制备MPCMs/环氧树脂复合材料,研究石蜡相变微胶囊(MPCMs)对环氧树脂导热调温性能的影响.方法 采用共混法制备MPCMs/环氧树脂复合材料,对共混改性的复合材料进行导热、储热、调温及热稳定性能表征.结果 MPCMs/环氧树脂复合材料导热系数增大,为原来的4.91倍以上,相变潜热特性与MPCMs的质量分数成正比,有自我调节温度能力.结论 MPCMs/环氧树脂复合材料提高了环氧树脂的导热性能,保留了MPCMs的相变储热调温性能,热稳定性良好.     

国产T800碳纤维用氰酸酯树脂开发及其复合材料性能

基于飞行器减重对耐高温结构复合材料的应用背景,为了拓展国产T800碳纤维增强氰酸酯复合材料体系的应用,通过对国产T800碳纤维表面上浆剂的分析,开展适于国产T800碳纤维的氰酸酯树脂基体配方设计,研究国产T800碳纤维/氰酸酯复合材料的力学性能和耐热性能,分析树脂基体对复合材料界面性能的影响。结果表明:国产T800碳纤维表面上浆剂中含有环氧基团。配方优化后的氰酸酯树脂与国产T800碳纤维复合后,复合材料的室温-湿态力学性能保持率大于74.8%,200℃力学性能保持率大于57%,玻璃化转变温度为226℃,具有优异的热机械性能和界面性能。     

Experimental study of high electric current effects in carbon/epoxy composites

Electrical and thermal behavior of the carbon fiber-reinforced epoxy composites subjected to relatively high (up to 75 A) steady electric currents is studied. A fully automated experimental setup for real time measurements of the electric current, resistance, voltage, and temperature in carbon fiber-reinforced epoxy matrix composites has been developed. A series of electrical characterization tests on IM7/977-3 unidirectional and symmetric cross-ply composite laminates have been performed and the effects of electric current magnitude and duration, electrical resistance, and associated thermal effects have been investigated. It is determined that electrical resistance exhibits time-dependent behavior. It is also found that application of an electric current leads to a significant temperature rise in the composites that is a result of the intense Joule heat produced in the electrically conductive carbon fibers as well as in the composite-electrode contact.     

Investigations on the fabrication and the characterization of glass/epoxy,carbon/epoxy and hybrid composites used in the reinforcement and the repair of aeronautic structures

This paper reports the fabrication and the characterization of glass/epoxy, carbon/epoxy and hybrid laminated composites used in the reinforcement and/or the repair of aeronautic structures. These composites were manufactured by the hand lay-up process. Their physical, thermal and mechanical behaviors are discussed in terms of moisture absorption, thermal stability, tensile strength, elastic modulus, flexural strength, flexural modulus and abrasive wear resistance. The impact of hygrothermal aging on the mechanical properties of each composite group has been also investigated.The main results indicated that after water immersion, all composites showed significant moisture absorption especially for glass/epoxy composite. Thermogravimetric analysis showed that the hybrid composite presented the best thermal stability behavior while the glass/epoxy composite the bad behavior. The mechanical properties of the carbon/epoxy composites, in the bulk material, were considerably higher than those of the glass/epoxy; the hybrid structure presented intermediate mechanical properties. The same trend was also observed in terms of wear properties. Finally, a deleterious effect on the strength of all composites due to hygrothermal exposure was established. However, carbon/epoxy composites seem to be less susceptible to aging damage after 90 days at 90 °C.     

高导热C/C复合材料的研究进展

综述了高导热C/C复合材料的研究现状及进展.从C/C复合材料的导热机理出发,分析了C/C复合材料的热物理性能以及影响其导热性能的因素.介绍了不同类型碳纤维、基体炭的导热性能,以及高导热C/C复合材料的制备及改性.     

Electrical and thermophysical properties of epoxy/aluminum nitride nanocomposites: Effects of nanoparticle surface modification

The traditional epoxy resin used for electrical and electronic industry has a poor thermal conductivity and no longer meets the increasingly cooling requirements of electric equipments and electronic devices. Ceramic nanoparticles with high thermal conductivity and low dielectric constant represent good candidates to improve the thermophysical properties of epoxy resin. This paper reports the effects of surface modification of AlN nanoparticles on morphology, glass transition, electrical property and thermal conductivity of the epoxy composites. Gamma-aminopropyl triethoxysilane was used as a silane coupling agent for the surface modification of the AlN nanoparticles. It was found that the surface modification of the nanoparticles not only improved the dispersion of the nanoparticles, but also showed an enhancement in electrical and thermophysical properties of the epoxy composites. The surface modification technology presented a strategy to prepare nanocomposites having high thermal conductivity simultaneously with low dielectric loss.     

高密度石墨泡沫及其石蜡复合材料的热物理性能(英文)

以中间相沥青和添加中间相炭微球的沥青为原料,调整发泡压力和发泡温度制备沥青泡沫,经1273K炭化和2973K石墨化,制备了高密度石墨泡沫。为了进一步提高石墨泡沫的密度,采用573 K的沥青反复浸渍炭化未添加中间相炭微球的沥青在1273K下所制的泡沫炭,再经2973K石墨化获得增密度后的石墨泡沫。而后制备了相应石墨泡沫/石蜡复合材料。研究了石墨泡沫热物理性能的影响因素和石墨泡沫/石蜡复合材料的热行为。研究表明:沥青组分、发泡温度和发泡压力决定了石墨泡沫的结构和热物理性能,而石墨泡沫的热导率决定了复合材料的热行为。与石蜡相比,石墨泡沫/石蜡复合材料的热扩散系数提高了768至1588倍。石墨泡沫/石蜡复合材料的潜热与石蜡的质量分数成正比。该复合材料是快速响应电子散热材料的良好选择。