国产T700级碳纤维表面特性对BMI复合材料湿热性能的影响

分别采用SEM、AFM、XPS和TGA对两种国产T700碳纤维和国外东丽T700S碳纤维的表面形貌、表面化学特性以及碳纤维上浆剂耐热性进行了表征,通过纤维性能转化率的计算,考查了T700碳纤维/双马复合材料的界面粘结性能,并通过T700碳纤维/双马复合材料湿热条件处理前后的0o拉伸强度和层间剪切强度测试对复合材料的耐湿热性能进行了表征。研究发现T700碳纤维的表面粗糙度和活性官能团含量等表面特性对双马复合材料的界面粘结性能具有显著影响,进而在一定程度上影响着双马复合材料的耐湿热性能。研究结果表明:国产T700碳纤维/双马树脂复合材料的耐湿热性优于国外同类T700碳纤维双马复合材料。     

国产T700级碳纤维增强双马树脂基复合材料的力学性能

采用扫描电子显微镜(SEM)、反气相色谱(IGC)和X射线光电子能谱仪(XPS)对国产T700级碳纤维和东丽T700S碳纤维的表面形貌、表面能和表面化学特性进行表征,测试两种碳纤维增强双马树脂基复合材料的力学性能,考察国产碳纤维复合材料的界面黏结性能、韧性和湿热性能。结果表明:碳纤维表面特性(表面形貌、表面能和表面化学组成等)对复合材料界面黏结性能具有显著影响;国产T700级碳纤维/QY9611复合材料在室温下的界面黏结性能优于T700S/QY9611复合材料;国产T700级碳纤维/QY9611复合材料的韧性优异,冲击后压缩强度达到了国外先进复合材料IM7/5250-4的水平;经湿热处理后的层间剪切强度仍与T700S/QY9611复合材料相当,说明国产T700级碳纤维/QY9611复合材料具备良好的湿热性能。     

新型无溶剂耐高温双马树脂及其碳纤维复合材料

采用双酚A型氰酸酯改性双马树脂,研制了一种新型无溶剂耐高温双马树脂基体,研究了树脂体系的黏度特性和固化反应动力学,进行了改性树脂体系的力学性能与耐热性研究,实现了1700CF/双马树脂基复合材料的湿法缠绕成型工艺.结果表明,改性双马树脂的拉伸强度为75.6 MPa,断裂伸长率为2.4%,弯曲强度为111 MPa,玻璃化转变温度为227.9℃.该改性双马树脂体系的黏度适中、适用期长且适于湿法缠绕,T700CF/双马树脂基复合材料的纵向拉伸强度为1668 MPa,纵向弯曲强度为1590 MPa,层间剪切强度为73.3MPa.     

温度条件对碳纤维上浆剂与双马树脂反应及其复合材料界面粘结的影响

为了研究工艺温度对复合材料界面的调控作用,设计采用三阶段固化工艺(即扩散、固化和后固化),考察了不同温度制度下3种碳纤维/双马树脂(BMI)复合材料界面粘结性能的变化规律。采用原子力显微镜(AFM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)深入分析了上浆剂对纤维表面粗糙度和化学特性的影响,研究了上浆剂的反应活性及其与双马树脂的反应性,采用微珠脱粘方法测试了碳纤维/树脂的界面剪切强度(IFSSs)。结果表明,200℃处理2h后3种碳纤维上浆剂均发生部分反应,并且170℃,2h后上浆剂均与双马树脂发生化学反应。对比不同温度条件可以发现后固化阶段对碳纤维/双马体系的界面剪切强度影响显著,未经后固化的复合材料界面性能最低;110℃和140℃恒温扩散阶段对碳纤维/双马体系的界面剪切强度的影响不明显。同种温度条件下,CF1和CF3上浆剂与双马树脂的反应程度高于CF2,相应的CF1和CF3与双马树脂的界面剪切强度较高,表明上浆剂与双马树脂间的化学反应程度是影响其界面粘结性能的主要因素。该研究结果对我国碳纤维上浆剂的研制具有参考价值。     

T700级碳纤维/QY9611双马树脂复合材料界面性能研究

采用SEM和AFM对国产T700级碳纤维和东丽T700S碳纤维的表面形貌进行了表征,利用热熔法预浸料制备了T700级碳纤维/QY9611复合材料,并考察了复合材料的界面性能。研究结果表明,碳纤维的形貌对复合材料界面性能有显著影响,国产T700级碳纤维/QY9611复合材料的室温界面性能优于T700S/QY9611复合材料,且湿热处理后的界面结合强度仍高于T700S/QY9611复合材料,说明国产碳纤维T700级碳纤维/QY9611复合材料已具备良好的耐湿热性能。     

先进复合材料现状和发展趋势

本文综述了先进复合材料的现状和发展趋势。主要内容有:复合材料应用于隐身技术,双马树脂在先进战斗机中的应用成为重点,热塑性复合材料崭露头角,新概念促进复合材料和工艺的应用及发展,碳/碳和碳/酚醛材料研究向纵深化、民用化发展,多向织物增强复合材料工艺得到迅速发展,碳纤维质量不断提高、应用迅速增加等几个方面。     

耐高温复合材料的基体评介与研究

本文介绍了国外结构材料用高温树脂的发展动向与国内耐高温树脂研究现状,并对碳纤维/双马复合材料的高温力学性能进行了初步研究。     

几种碳纤维/双马树脂复合材料湿热特性实验研究

 针对碳纤维/双马树脂体系,研究了不同湿热条件、不同碳纤维种类和预浸料制备方法下复合材料层板的湿热特性,通过考察吸湿量、动态力学性能、弯曲性能及其断口形貌等方面分析了各因素对复合材料吸湿特性的影响规律。结果表明,在实验范围内不同湿热条件下水分主要引起复合材料发生了物理变化,而没有发生明显的化学变化;国产T300级碳纤维复合材料湿热性能偏低,这与其界面粘结性能较弱有一致性;与干法预浸料相比,湿法预浸料制备的复合材料层板湿热性能明显偏低,说明溶剂对双马树脂复合材料的界面性能和吸湿性有重要影响。     

热塑性预浸丝铺放过程中温度场数学模型及其仿真

建立了热塑性碳纤维预浸丝铺放过程中二维温度场分布的模型。考虑铺放中热气筒的热气速率、热气温度的影响,当热气流速从650升高至800 m/s时,APC2的对流传热系数增加150 W/(m2.℃)。利用ANSYS对整个铺放过程热量的瞬态热传导进行了仿真,得到复合材料构件在整个铺放过程中温度场分布及其随时间的变化。通过对铺放头分别以40和20 mm/s进行铺放时温度场随时间变化的比较,可知铺放头移动速率越慢,粘合点处的温度峰值越高。当把铺放头移动速率降至20 mm/s以后,粘合点温度峰值升至355℃以上,达到APC2的熔点,因此在此条件下加工时铺放头移动速率理论上应低于20 mm/s。通过对比,证明了温度场数学模型的正确性。     

碳纤维缝编工艺差异性分析与评估技术

织物用国产碳纤维的性能评价及改进、碳纤维缝编工艺技术的研究等均需要一些必要的分析评 估手段。上机织造比较分析表明,碳纤维本身的特性、导纱机件材料与结构形式、送纱方式等工艺设备和技术 路线对碳纤维缝编工艺性能影响较大,国产HF10-12K 碳纤维的缝编工艺效率和质量明显低于T700-12K 碳 纤维的;采用旋转轮导纱结构和主动送纱方式等,可有效提高国产碳纤维在碳纤维缝编织物制备工艺质量和工 艺效率。结果表明,碳纤维毛羽是影响碳纤维缝编织造工艺质量和效率的关键因素,参数“ 纱线毛羽指数”、 “织物拉伸强力/ 原纱强度(比值)”和“织物增强树脂基复合材料拉伸强度/ 原纱强度(比值)”可用来定量比较 分析和评估各碳纤维纱线的缝编织造工艺差异性。     

适用自动铺丝工艺的中模高强碳纤维预浸料研究

目前,自动铺丝技术是航天航空大型结构件制备工艺的发展方向,而中模高强碳纤维预浸料适用于航天航空主承力结构件的制备,达到减重的需求,因此,自动铺丝工艺用中模高强碳纤维预浸料的研究至关重要。采用HF40A中模高强碳纤维匹配EH918树脂体系,开展了预浸料的自动铺丝工艺适用性研究。通过与满足自动铺丝工艺的某预浸料对比分析,确定了满足自动铺丝工艺要求的EH918/HF40A;对比手工铺放与自动铺丝制备的板材的力学性能,数据表明,自动铺丝板材的力学性能与手工铺放板材性能相当,无明显差异;采用该材料和自动铺丝工艺制备了典型部件,并进行了无损测试,其质量满足指标要求。     

T700/PEEK热塑性自动铺放预浸纱制备质量控制及性能研究

为满足高性能热塑性复合材料自动铺丝（AFP）成型工艺的原材料需求,研究了粉末悬浮法浸渍制备T700/PEEK预浸纱关键工艺参数及预浸料性能,分析聚醚醚酮PEEK浸渍连续碳纤维过程中不同工艺参数（悬浊液浓度、超声功率、张力、牵引速率、浸渍温度、辊压温度及压辊间隙）对预浸纱质量的影响规律,利用扫描电子显微镜（SEM）观察T700/PEEK预浸纱内部孔隙率及界面结合状态,将粉末悬浮法制备的T700/PEEK预浸纱模压制备了热塑性复合材料单向层合板试样,并测试了其热塑性复合材料层间剪切强度和拉伸强度。研究结果表明：预浸纱含胶量与粉末悬浮液浓度变化线性正相关,且随超声功率的增大而升高;浸渍过程中伴随温度的升高以及牵引速率的减小,预浸纱宽度变小、孔隙率降低,随着张力的增大,预浸纱宽度增大、孔隙率降低;辊压成型过程中随着温度的提高以及压辊间隙的减小,预浸纱宽度增大、孔隙率降低。综合考虑各工艺参数的影响规律,获得优化的热塑性预浸纱制备工艺参数：浸渍温度为360~370℃,辊压温度为330℃,压辊间隙为0.1 mm,牵引速率为15~20 mm/s,张力为7 N。扫描电镜结果显示树脂与纤维界面结合紧密,复合材料的孔隙率可降低至1.8%,复合材料层间剪切强度为73.43 MPa,纵向拉伸强度达1.71 GPa。     

高模量碳纤维低损伤一步预浸缠绕技术

介绍了针对采用高模量碳纤维缠绕时损伤严重而研制的一项新技术。通过无辊浸胶系统和纤维浸胶后烘道加热装置 ,不但降低预浸纱制备和退纱缠绕所造成较大的纤维损伤 ,而且可以实现预浸纱含胶量精确控制及连续浸胶和缠绕 ,同时大大提高了缠绕效率。     

空间光学结构用改性氰酸酯树脂及其复合材料性能

以空间光学结构应用为背景,对新研制改性氰酸酯树脂低温固化体系开展评价研究,包括树脂体系的固化特性、力学性能、耐湿热性以及工艺性能等;与HS40高模量碳纤维复合制备了复合材料,对其主要力学性能进行了研究。结果表明,改性氰酸酯树脂催化体系具有优异的固化反应特性,起始固化温度为101.2℃,较未催化的氰酸酯树脂降低了97.4℃;拉伸性能以及弯曲性能均有提高,同时其沸水饱和吸水率仅1.3%左右,明显低于双马（4%）和环氧树脂（5.8%）;树脂的工艺性良好,适合热熔法制备预浸料;应用热熔浸渍法制备的HS40碳纤维/氰酸酯树脂预浸料经层合固化后力学性能优异：纵向拉伸强度和模量分别为2 244.5 MPa和248.0 GPa。     

丝束张力对自动铺丝成型工艺的影响

为获得良好的铺丝成型质量,通过理论分析和实际铺放实验,从送丝质量和铺放质量两个角度出发,研究了丝束张力对自动铺丝成型工艺的影响。送丝实验发现,丝束张力的大小对送丝精度和送丝可靠性影响显著;铺放实验发现,过大或过小的丝束张力都会导致铺放质量的下降,铺放过程中丝束张力维持在合理的范围内;基于铺放过程中预浸丝束的受力分析,探究了不同铺放条件下铺放张力对铺放质量的影响,讨论了影响丝束张力取值范围的因素,建立了丝束张力取值范围的计算公式并对该公式的合理性进行了实验性验证。最终得出结论,丝束张力是自动铺丝成型工艺的重要工艺参数之一,铺放中丝束张力的取值应随曲面形状和铺放轨迹的改变而调整,并与其他铺放工艺参数相匹配以实现铺放质量的最优化。     

碳纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料体系冲击后压缩强度研究

探讨了树脂基体、碳纤维增强体以及树脂基体 纤维的界面等对双马来酰亚胺 (简称双马 )树脂基复合材料冲击后压缩强度 (CAI)值的影响 ,指出降低树脂基体的交联密度和产生微观两相结构是提高碳纤维 /双马复合材料CAI值的两个典型方法。合适的树脂含量有利于保持复合材料体系较高的CAI值 ,采用高强高韧性的碳纤维可明显提高复合材料体系的CAI值。为获得较高的CAI值 ,保持合适的树脂基体 纤维界面性能也是必要的     

OoA成型T800/607复合材料制备及性能

采用非等温DSC对非热压罐(OoA)成型环氧树脂基体607进行了固化动力学研究,确定了树脂的固化动力学方程。制备了T800/607热熔预浸料和复合材料单向板,并比较了热压罐和OoA成型工艺下T800/607复合材料的性能。结果表明:该类预浸料室温储存期大于30 d,OoA成型质量优异,复合材料孔隙率远低于1%。OoA成型复合材料的弯曲强度为1 480 MPa,层剪强度为96.7 MPa,与在热压罐条件下固化的复合材料性能相当。     

碳纤维/聚苯硫醚复合材料复合工艺及力学性能的研究

 对连续碳纤维增强聚苯硫醚复合材料进行了复合工艺及力学性能的研究。研制出了制备碳纤维/聚苯硫醚复合材料预浸带的悬浮-熔融法、并优化了模压工艺条件;测定了力学性能,观察了断口形貌。结果表明:聚苯硫醚树脂与碳纤维之间有很好的粘接性、纤维得到了充分的浸润。     

自动铺丝最小间隙路径规划与复合材料锥壳结构制造

自动铺丝技术（AFP）是提高复合材料构件制造效率和降低其制造成本的关键技术和重要手段。铺放轨迹的设计是控制自动铺丝工艺质量的关键。对于复杂的结构形式，合理的铺丝路径对保证可制造性及铺贴质量至关重要。本文针对简化后的后机身锥壳特征结构，研究了基于固定角法、测地线法和变角度法的自动铺丝轨迹算法设计，解决了铺放复杂曲面满覆盖问题；总结对比获得了不同铺丝轨迹方法的特点和适用范围。以保证工艺性并满足结构设计铺层方向为原则，选用了带宽为6.35 mm的自动铺丝预浸料完成工艺验证件制造，并通过有限元分析评估了自动铺丝轨迹算法的合理性。结果表明：该结构宜采用测地线法铺放0°方向铺层以减少褶皱；采用固定角法铺放90°方向铺层能够保证连续铺放；采用结合预浸窄带侧弯试验结果的变角度轨迹规划方法铺放此锥类构件±45°方向铺层能够保持最小间隙。铺丝间隙使锥壳结构单层等效模量下降约30%，整体强度下降约10%。因而在结构优化设计时需考虑自动铺丝工艺对安全裕度影响的因素。