TEMPO氧化修饰的天然多糖纳米纤维增强复合材料及其功能化研究进展

纤维素和几丁质具有相似的结构，是自然界中储量丰富的两类天然多糖。经2, 2, 6, 6-四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)氧化修饰制备的纤维素和几丁质纳米纤维，不仅具有多糖类物质的良好亲水性、生物可降解性、生物相容性及丰富的官能团(羟基、羧基、乙酰氨基和氨基等)所带来的特定化学性质，而且还具有纳米纤维的纳米尺寸效应、大比表面积、高表面活性、高结晶度和手性液晶相结构等特点，已成为生物质纳米材料领域的研究重点之一。本文对TEMPO氧化修饰制备天然多糖纳米纤维的方法及剥离机制进行了总结，同时重点综述了TEMPO氧化修饰的天然多糖纳米纤维在薄膜、凝胶、导电、医用、电磁屏蔽及环境等复合材料的增强和功能升级等方面的研究进展，强调了纤维素和几丁质纳米纤维的官能团及纳米尺寸在复合材料中的增效机制。最后，对天然多糖纳米纤维的发展方向及其在各领域应用的机遇与挑战进行了展望。     

环氧树脂复合材料的固化动力学

将环氧树脂与适量的玻璃纤维混合加工到一起,形成一种含有玻璃纤维特性的环氧树脂复合材料。而且玻璃纤维的加入可以加强环氧树脂复合材料的固化动力学特性,为此提出环氧树脂复合材料的固化动力学特性分析,并对弹性效果以及伸缩抗压的特性变化进行分析。结果表明:当加入玻璃纤维时,环氧树脂复合材料固化动力学特性增强,当玻璃纤维比例达到50%时,其固化动力学特性达到最佳状态。     

碳纤维连续抽油杆夹持技术

碳纤维连续抽油杆(简称碳纤维杆)具有质量轻、抗拉强度高和抗腐蚀性强等优点,用于深井、超深井和腐蚀性油井可大大降低能耗、提高采油效率,但是由于碳纤维杆的抗剪能力差、表面摩擦因数低,已有的碳纤维杆夹持系统提升力不足、伤杆断杆等问题突出,大大影响了碳纤维杆技术的推广应用。为了解决碳纤维杆的夹持难题,开展了碳纤维杆的基础性能评价、夹持摩擦副材料开发、表面结构及介质影响配套夹持系统试验等方面的研究工作。通过试验对比研究,优选了碳纤维杆的夹持摩擦副材料和夹持表面结构形式,提高了对碳纤维杆夹持的提升力和可靠性;结合碳纤维杆作业机注入头夹持系统非对称运动的特性,优化了夹持块的结构,并对夹持块切入角部位采用软合金材料,解决了碳纤维杆夹持时存在的错位夹持块弯折咬杆和注入头运转时的切入角磕碰伤杆问题。配套作业机注入头形成的碳纤维杆无损伤夹持技术,为碳纤维杆技术在油田的推广应用奠定了基础。     

基于蜻蜓翅脉结构的连续碳纤维增强树脂基复合材料仿生设计与增材制造

以具有轻质高强优异性能的蜻蜓翅脉结构为设计灵感，在分析翅脉网格结构抗冲击原理的基础上，设计了传统和仿生两类对比结构。采用熔融挤出3D打印机成功制备了具有不同结构的连续碳纤维增强聚乳酸复合材料试样，并对不同结构复合材料试样的拉伸性能和抗冲击性能进行了测试和对比分析。研究分析结果表明：由于拉伸力方向上的连续碳纤维含量相对较少，限制了仿生结构复合材料抗拉强度的提高，但仿生结构的平均抗拉强度为传统结构的1.18倍；当仿生结构复合材料试样受到冲击力时，其内部六边形结构的连接角度会发生变化，从而极大消耗冲击能量，同时具有六边形网格结构的连续碳纤维可以有效阻碍裂纹的扩展，因此仿生结构的平均冲击韧性可以达到传统结构的2.46倍；仿生蜻蜓翅脉结构可以显著提高增材制造复合材料的综合力学性能，且对于抗冲击性能的提高具体突出效果。连续碳纤维增强树脂基复合材料的有效可行的仿生蜻蜓翅脉结构设计和增材制造，可极大扩展其在高冲击载荷领域中的相应应用。     

碳纤维喷射混凝土硫酸盐冻损伤分析

为了研究碳纤维混凝土硫酸盐冻侵蚀损伤，以川藏铁路喷射纤维混凝土工程环境为依托进行室内盐冻试验，盐冻最低、最高温度设置为(-37.12、17℃)，(-32.12、12℃)，(-25.12、5℃)，(-20.12、0℃)，硫酸盐质量分数分别为5%、7.5%、10%，纤维体积分数分别为0、0.10%、0.20%、0.24%、0.30%。通过宏观强度试验结果和微观分析可知，随着硫酸盐浓度的增加，碳纤维混凝土损伤越严重。与普通混凝土相比，碳纤维混凝土能够有效阻止开裂，其中0.3%的体积分数为最佳掺量。通过微观分析，揭示碳纤维在混凝土结构内起到类似梁的作用机制，并据此建立损伤模型。     

原纤化天丝纤维纸基复合材料的制备及其电气性能的研究

天丝纤维作为一种可再生纤维,具有多重原纤结构的特点,通过原纤化处理制备的微纳米级别的天丝纤维可广泛应用于超级电容器、电池隔膜等材料领域。本文选取高度原纤化的天丝纤维,探讨了天丝纤维纸基复合材料结构对其介电常数及击穿电压的影响规律。结果表明,天丝纤维纸基复合材料的相对介电常数实测值与按照体积比经验理论公式模拟计算值有较好对应性;采用具有微纳米直径的天丝纤维制备的定量40 g/m~2的电解电容器纸,压光后介电强度可达到18.27 kV/mm;参考复合介质串联电容模型,可根据单层纸参数计算双层天丝纤维纸基复合材料的击穿电压,从而指导双层电容器隔膜的结构配方设计。     

纤维增强复合材料结构局部形状与环境腐蚀速率的关系研究

纤维增强复合材料(FRP)结构在外部环境作用下,不同位置的腐蚀速率并不一致,与该位置处FRP形状和环境作用有关。由于FRP结构形状多变的特点,常在梁柱交界处、FRP型材棱角处存在内凹角和外凸角,这些位置结构的腐蚀往往最为严重。本文对环境作用下FRP结构棱角处腐蚀速率的差异进行了理论分析和数值模拟。利用菲克定律下的扩散规律和有限元软件,计算了构件棱角不同角度与扩散速率的关系。定义并计算了棱角处于不同角度时的局部影响系数,结果表明,内部凹角对结构的腐蚀呈减弱影响,外部凸角对腐蚀呈放大效应。利用粒子抛射沉积与环境沉积的相似性,采用蒙特卡罗方法建立了不同粒子数目的粒子抛射沉积模型。定义并计算了角部的环境富集系数,分析发现凹角处会对环境产生汇集作用,凸角对环境分布影响相对较小。综合考虑了棱角对扩散速率的影响和环境富集的影响,定义并计算了结构形状影响系数,结果表明,结构物表面凸出和凹陷处更易受到环境腐蚀,结构耐久性设计时应考虑在棱角进行特殊防护设计。通过计算的结构形状影响系数可以为耐久性定量设计提供计算支持。     

康复器械用碳纤维织物的压缩成型特性研究

研究了织物编织方式和定型剂含量对康复器械用有机织物和针织织物在压缩阶段的织物初始厚度和压缩时间、松弛节点的应力松弛率和回弹阶段的变形占比的影响。结果表明,在未添加定型剂前,CC-2T200、CC-P450、C-LT420和C-LPFK380的纹路形式分别为斜纹、平纹、双轴经编和四轴经编;随着定型剂含量(质量分数)从0增加至12%时,4种添加定型剂的碳纤维预定型织物的压缩时间都逐渐变长,且C-LT420-X和C-LPFK380-X的压缩时间相较于CC-2T200-X、CC-P450-X更长;随着定型剂含量增加,4种添加定型剂的碳纤维预定型织物的松弛率都不断增大,且在定型剂含量为8%和12%时,C-LT420-X的松弛率最小,而当定型剂含量为0和4%时,CC-2T200-X的松弛率最小;定型剂含量为4%时可以获得较高定型能力同时又可节省定型剂用量的效果。