刚性短切碳纤维预制体和酚醛浸渍碳烧蚀体的制备及性能

以短切碳纤维、热固性酚醛树脂为原料,经真空成型得到短切碳纤维预制体(Fiberform),再以Fiberform为骨架、酚醛树脂溶液为浸渍液,经反应干燥得到酚醛浸渍碳烧蚀体(PICA)。结果表明:Fiberform具有明显的各向异性,当Fiberform的密度由0.13 g/cm~3增大到0.18 g/m~3时,其纵向压缩强度由0.10 MPa增大到0.39 MPa,横向压缩强度由0.33 MPa增大到0.79 MPa。PICA具有酚醛气凝胶/碳纤维复合型结构,其密度可以通过控制酚醛树脂溶液浓度来调节。当PICA的密度由0.27 g/cm~3增大到0.43 g/cm~3,其纵向压缩强度由0.45 MPa增大到2.42 MPa,横向压缩强度由1.36 MPa增大到3.12 MPa。PICA的隔热性能与Fiberform相近,其纵向和横向热导率分别为0.08和0.11 W/(m·K)。     

酚醛浸渍碳烧蚀体(PICA)的制备、结构及性能

采用热塑性酚醛树脂溶液浸渍碳毡,经过溶胶-凝胶反应和常压干燥后,制备出一系列不同密度的酚醛浸渍烧蚀体(PICA)(0.27~0.47 g/cm3)材料,并系统研究了不同密度的PICA碳化前后微观形貌、力学性能及隔热性能的变化规律。结果表明:PICA具有典型的碳纤维增强酚醛气凝胶复合结构。不同密度的PICA均具有优异的力学性能和隔热性能,且弯曲强度为2.2~16.5 MPa,热导率为56~62 m W/(m·K)。在密度为0.40 g/cm3时,PICA弯曲强度最大,热导率最低。进一步通过1 000℃高温处理之后,相应的C-PICA材料仍然表现出轻质、高强、低热导率的特征。     

沥青浸渍炭化C/ C 复合材料密度及孔隙分布

以径棒法编织成型预制体,采用沥青浸渍炭化工艺制备了C/ C 复合材料(1. 50 g/ cm3 ),采用CT

检测了试件的密度分布特征,并采用光学显微镜和压汞法分析了试件的孔隙分布特征。结果表明,在沥青浸渍

炭化的工艺条件下,试件外端密度最高,由外端到中心沿径向密度递减;以坯体中心为参照点,同一圆周方向密

度均匀分布;坯体开孔率沿径向由外端到中心递增;坯体大孔和中孔孔容积比率沿径向从外端到中心递增,而

微孔孔容积比率则从外端到中心递减。

     

三种Ｔ７００ 级碳纤维及其复合材料性能比较

对ＭＴ７００、Ｔ７００－Ａ 及Ｔ７００－Ｂ 三种碳纤维拉伸性能、表面形貌、单向板力学性能及网格加筋圆筒

轴压稳定性进行逐级对比研究ꎮ 结果表明:ＭＴ７００ 碳纤维拉伸性能达到同级别进口碳纤维水平且具有高模量

特征ꎻＭＴ７００ 碳纤维表面均布沟槽的结构特点使得ＭＴ７００/６０３ 复合材料体系表现出良好的界面性能和拉伸－

压缩匹配性ꎬ单向板压缩强度、层剪强度及弯曲强度均明显高于Ｔ７００－Ａ/６０３ 和Ｔ７００－Ｂ/６０３ꎻＭＴ７００/６０３ 网格

加筋圆筒轴压破坏强度及模量分别达到８７０ ｋＮ 和１０８.２ ＧＰａꎬ相比于Ｔ７００－Ｂ/６０３ 分别提高１１.５％和３３.１％ꎮ

ＭＴ７００ 碳纤维更适用于制备航天领域结构复杂承力构件ꎮ

     

直升机复合材料桨叶固化过程的多物理场有限元模拟

根据热传导、复合材料力学和固化动力学理论,采用基于偏微分方程的强耦合多物理场有限元方

法,计算在F650 双马来酰亚胺树脂建议温度周期下直升机复合材料桨叶固化过程中温度、固化度、固化度反应

速率和内应力变化历程。通过仿真结果对温度周期进行优化调整,改善工艺过程。计算结果表明:桨叶中树脂

固化反应同步度高,交联反应产热量少;调整后的加热周期与建议加热周期相比,最高加热温度由460 K 降低

为393 K,但固化度由0. 1 增加到1 的反应时间只由25 min 增加为30 min,固化反应速率峰值从1. 35×10-3 / s

降低为1. 15×10-3 / s,PMI(聚甲基丙烯酰亚胺,Polymethacrylimide)泡沫的Von Mises 热应力最大值从0. 82 MPa

降低为0. 482 MPa。

     

空心石英纤维/酚醛树脂复合材料的结构与性能

将石英纤维空心化,并通过模压成型方法制备了空心纤维/酚醛树脂复合材料。结果表明,空心纤维的空腔直径为4～7μm,随着纤维空心度增大(0～0.5),纤维的力学强度提高。在相同的纤维体积分数下,当纤维空心度从0增大到0.5时,复合材料的密度和热导率分别从1.63 g/cm3和0.49 W/(m·K)降低到1.46 g/cm3和0.41 W/(m·K),烧蚀性能保持不变。采用此方法制备的空心纤维/酚醛复合材料同时具有良好的隔热、防热性能。     

不同机织结构碳布针刺后拉伸性能

针刺后碳布拉伸强力的大小决定了针刺预制体的性能,研究针刺后碳布拉伸强力可以为针刺工艺

参数优化、提高预制体性能提供重要参考。本文研究了不同机织结构碳布针刺前、后的拉伸性能及影响拉伸强力

的主要因素。在3K 平纹碳布、3K 斜纹碳布及3K 缎纹碳布中,3K 斜纹碳布具有较高的拉伸强力、较大的拉伸强

力保留率,针刺工艺性最好。在一定的针刺工艺下,碳布各层拉伸强力可以用函数y = A1 伊e-x / t1 + y0 来模拟,其中

A1、t1、y0为常数。针刺密度是影响针刺后碳布拉伸强力及强力保留率的主要因素,最终针刺密度决定了针刺后碳

布拉伸强力的大小。3K 斜纹碳布在针刺密度为26 针/ cm2 时,经、纬向的拉伸强力与未针刺时相比分别下降了

42.0%和49.1%;当针刺密度为32 针/ cm2时,其经、纬向拉伸强力则分别下降了71.4%和78郾8%。

     

水气吸附法评定树脂残碳密实度

通过水气吸附法研究了树脂残碳的密实度,以S-157 酚醛树脂、Q-913 酚醛树脂、硼酚醛环氧树脂体系

等6 种树脂为例进行说明,把6 种固化树脂粉体在氮气气氛中热解成碳,把残碳移入控制温湿度的实验环境内放置,

采用高精度的天平称量残碳不同时刻的质量变化,经过约200 min 的残碳吸附过程分析,获得残碳吸附空气中的水气

达到平衡后,树脂残碳在控制温湿度的环境条件下质量变化率与时间的关系,通过比较残碳的增重对其密实度进行

评定。采用扫描电子显微镜对残碳表面进行观察验证。结果表明:水气吸附能力可反映树脂残碳的密实度,在规定

温湿度环境内吸附平衡时,水气吸附量为残碳密实度的评定依据。

     

纳米晶Ni-Zn 铁氧体/ 环氧树脂复合材料的磁性能

采用喷射-沉淀法制备了纳米晶Ni-Zn 铁氧体粉料。在10 ~110 MHz 通过Agilent 阻抗仪测量纳

米晶Ni-Zn 铁氧体/ 环氧树脂复合材料磁导率。结果表明:600益下煅烧1. 5 h,喷射-共沉淀法制备Ni-Zn 铁

氧体晶粒尺寸约为30 nm;随着环氧树脂含量减少和成型压力增大,纳米晶Ni-Zn 铁氧体/ 环氧树脂复合材料

磁导率实部滋忆逐渐增大、虚部滋义逐渐减小;相同工艺条件下, Ni-Zn 铁氧体晶粒尺寸增大,磁导率实部滋忆逐渐

增大而虚部滋义减小,纳米Ni0. 4Zn0. 6Fe2O4 具有最佳磁导率。

     

用含硅芳炔树脂制备Ｃ/ Ｃ－ＳｉＣ 复合材料

以含硅芳炔树脂为先驱体ꎬ采用先驱体浸渍法(ＰＩＰ) 制备了Ｃ/ Ｃ－ＳｉＣ 复合材料ꎮ 首先通过炭化

Ｔ３００/ 含硅芳炔树脂(ＣＦＲＰ)制备了多孔Ｃ/ Ｃ－ＳｉＣ 预制体ꎬ并探究了炭化工艺对所得多孔Ｃ/ Ｃ－ＳｉＣ 预制体性能

的影响ꎬ制得的多孔Ｃ/ Ｃ－ＳｉＣ 预制体弯曲强度为９８ ＭＰａꎻ然后以含硅芳炔树脂溶液为浸渍剂ꎬ浸渍多孔Ｃ/ ＣＳｉＣ

预制体ꎬ经过４ 次浸渍、固化、炭化后ꎬ得到致密的Ｃ/ Ｃ－ＳｉＣ 复合材料ꎬ其弯曲强度提升到２０３ ＭＰａꎬ同时用

ＸＲＤ、ＳＥＭ、ＴＥＭ 等手段表征了复合材料的微观结构ꎬ所得Ｃ/ Ｃ－ＳｉＣ 复合材料主要成分为β－ＳｉＣ 及无定型碳ꎮ

     

碳纤维增强树脂基摩擦材料摩擦磨损性能

为提高树脂基摩擦材料摩擦因数稳定性,改善其抗热衰退性能。以碳纤维作为增强纤维,采用热压成型工艺制备碳纤维增强树脂基摩擦材料;用XD-MSM型定速摩擦试验机测定摩擦磨损性能,研究了不同含量碳纤维增强对树脂基摩擦材料摩擦磨损性能的影响;利用VK-X200三维激光扫描显微镜观察了摩擦材料磨损后表面的微观形貌并探讨其磨损机理。结果表明,碳纤维增强树脂基摩擦材料的硬度、压缩强度和剪切强度均得到提高,并随碳纤维含量的增加而逐渐增大;碳纤维增强作用提高了树脂基摩擦材料的耐磨性和摩擦因数的稳定性,改变了树脂基摩擦材料的摩擦磨损形式;碳纤维含量为4wt%的增强树脂基摩擦材料摩擦因数稳定性较高,抗热衰退性能较好,磨损机制主要为疲劳磨损。     

酚醛树脂炭的合成及力学性能研究

为了表征多孔炭泡沫材料基体的结构与力学性能,采用碱催化法制备热固性酚醛树脂,经固化、高温炭化处理合成多孔炭泡沫材料的基体——酚醛树脂炭。研究酚醛树脂炭的微观结构、压缩强度及压缩断裂韧性。结果表明:酚醛树脂炭结构以树脂炭基体、微孔和微裂纹为主,其碳元素以sp3杂化的非晶炭形式存在;压缩强度为8.58 MPa,压缩断裂特征为脆性断裂模式;酚醛树脂炭的压缩断裂韧性较差,断裂过程中吸收的总能量为0.135 MJ/m3。     

酚醛树脂基泡沫碳材料的烧蚀与隔热性能

为考察纳米孔径的酚醛树脂基泡沫碳材料的烧蚀与隔热性能,以酚醛树脂为碳源,环戊烷为发泡剂,吐温80为表面活性剂,对甲苯磺酸为固化剂,采用发泡固化碳化工艺制备了低密度泡沫碳材料。所制备的泡沫碳材料密度为0. 3 g/cm^3,压缩强度达到了11. 7 MPa。采用LFA457激光导热仪考察了泡沫碳材料在不同温度下(25、200、400、600℃)的导热性能,25℃下热导率为0. 141 W/(m·K),600℃下热导率为0. 344 W/(m·K);通过氧乙炔试验(30 s/60 s)对泡沫碳材料与C/C复合材料在同样的气流条件下隔热性能进行了比较,在材料正面烧蚀峰值温度泡沫碳材料比C/C复合材料高出约400℃的情况下,背面峰值温度比C/C复合材料仍低出150℃;通过氧乙炔试验考察泡沫碳材料的抗烧蚀性能,氧乙炔烧蚀60 s的线烧蚀率为0. 031 mm/s。试验结果证明低密度的泡沫碳材料同时具备优异的隔热与高温抗烧蚀性能。     

玄武岩纤维/ 氨酚醛树脂防热材料的性能

采用丁异戊橡胶作为主体材料,从补强体系、硫化体系和增塑剂三个方面分析了它们对橡胶高低 温性能、耐老化性能和耐压性能的影响。粒径小、结构度高的炭黑和气相白炭黑并用可有效改善橡胶的力学性 能;硫磺含量在0. 8% ~1. 3%使得硫化橡胶既具备较好的高低温性能又兼顾较好的耐老化性能;增塑剂可有 效调整橡胶硬度和耐压性能。并对研制的丁异戊橡胶弹性材料及其柔性接头构件耐高低温性能及耐压性能进 行分析。结果表明,弹性材料高低温剪切性能及耐压性能表征结果能初步反映柔性接头构件的摆动性能及耐 压性能。     

树脂交联结构特征对复合材料纵向压缩性能的影响

通过选择不同官能度的环氧树脂,调节树脂单体配比,获得了不同固化交联结构的环氧树脂基体,并与国产T800级碳纤维复合制备成碳纤维复合材料;研究不同交联结构的环氧树脂基体对其 T800级碳纤维复合材料纵向压缩性能的影响。研究结果表明,随着三官能团树脂含量升高,树脂基体的交联密度增大,树脂基体模量增大,其对应碳纤维复合材料单向层合板泊松比降低;碳纤维复合材料的纵向压缩强度随着树脂基体交联密度的增大而增大;树脂基体交联密度对单向复合材料层合板纵向压缩模量的影响不明显。     

胶含量对CF/BF复合材料性能的影响

制备了碳纤维/玄武岩纤维(CF/BF)增强酚醛树脂复合材料,研究了复合材料层合板不同胶含量对其层间剪切强度、热传导和耐烧蚀性能的影响。结果表明:CF/BF复合材料,在胶的体积分数为35%时,复合材料经纬向层间剪切强度达到最大值21和20 MPa;在胶的体积分数为39.5%处,热导率和线烧蚀率出现最低值0.366 W/(m.K)和87μm/s。CF/BF混杂纤维复合材料性能符合混杂纤维复合材料性能混杂效应规律。     

高硅氧纤维/酚醛泡沫复合材料的结构与性能

以高硅氧短切纤维毡为增强体,分别以酚醛树脂和酚醛泡沫为基体,制备了高硅氧/酚醛与高硅氧/酚醛泡沫两种复合材料,采用红外光谱分析、扫描电镜分析、热失重分析等方法对其结构和性能进行了表征。结果表明,两种材料具有相似的基体化学结构和相近的固化反应温度,均具有良好的耐热性能,性能测试结果表明,复合材料中基体由酚醛树脂变成酚醛泡沫后,力学性能明显降低,同时,密度由1.65 g/cm3降低至0.5 g/cm3,热导率由0.5 W/(m·K)降低至0.09 W/(m·K)。     

三维整体编织碳/酚醛复合材料烧蚀表面状态测试与分析

为了更好地研究三维整体纺织碳／酚醛复合材料的成型工艺对材料烧蚀性能的影响，选用不同纤维体积分数和不同编织结构的碳／酚碳复合材料试样，进行烧蚀试验，利用TalyScan150型表面粗糙度测试仪对试样烧蚀后的表面进行测试，并采用多种分析方法对测试结果进行分析。从分析结果可以看出三维四向结构的碳／酚醛复合材料随着纤维体积分数的增加，烧蚀性能变好，较低纤维体积分数（50％）的三维五向结构碳／酚醛复合材料具有较好的烧蚀性能。     

C/C复合材料喉衬缺陷修复用胶黏剂的研究

针对C／C复合材料喉衬在制造过程中出现的工艺缺陷，如掉渣、表观裂纹等，拟用胶黏剂进行修补。本文采用的修复胶体系配方组成为“酚醛树脂＋纳米SiO2粉＋石墨粉＋ZrO2粉＋短切碳纤维”，按正交设计法做配方实验。以胶黏剂对石墨材料的粘接强度和胶黏剂本体的线烧蚀率为依据，经配方优化和验证实验确定最佳组分配比。其对石墨材料的粘接强度达到11．6MPa，胶黏剂本体线烧蚀率0．058mm／s，质量烧蚀率0．0732g／s。对人工模拟缺陷的C／C复合材料试样做粘接修复实验，结果表明，采用该修复胶体系粘接修复，并进行适当的致密化处理，能起到较好的修复作用，可满足真实构件的指标要求。     

微球型炭泡沫复合材料力学性能的研究

为表征微球含量对碳泡沫复合材料的影响,以自制热固性酚醛树脂与不同体积分数的酚醛空心微球配比混合,采用模压成型法,制备酚醛泡沫材料;再将其在Ar气保护下高温碳化处理,得到微球型碳泡沫复合材料;研究碳泡沫复合材料的微观结构及空心微球的体积分数对碳泡沫的压缩性能、断裂韧性的影响。结果表明：随着空心微球含量的增加,复合材料的压缩断裂特征由梯度式脆性断裂模式向假塑性断裂模式转变,其断裂韧性也得到了明显改善;空心微球含量为80v01．％的碳泡沫韧性最佳;适当提高空心微球含量,可改善碳泡沫的比压缩强度,空心微球含量为70v01．％的碳泡沫的比压缩强度可达43．32MPa·cm3·g-1。