芳纶应用于固体火箭发动机

通过国外芳纶应用于固体火箭发动机壳体的实例,介绍了美国杜邦公司的Kevlar49、Kevlar149及原苏联复合材料联合体的CBM和APMOC系列纤维的性质;综述了提高芳纶在固体火箭发动机壳体上强度转化率的途径。并为我国早日成功应用芳纶复合材料提出4条建议。     

F-12芳纶纤维混杂复合材料纵向压缩性能研究

研究了铺层参数及纤维表面处理对F-12芳纶纤维与HTA-P30碳纤维混杂复合材料纵向压缩性能的影响。结果表明,该混杂复合材料体系的纵向压缩强度高于混合定律的预测值,表现出明显的混杂正效应。铺层顺序对纵向压缩强度和模量没有显著影响。F-12纤维经刚性涂层处理后,可提高混杂复合材料的压缩性能。     

炭/芳纶混杂正交三向复合材料拉伸性能实验研究

设计制备了Z向纱为芳纶纤维、经纬纱为炭纤维和经纬纱间隔排列芳纶纤维与炭纤维的混杂织造的2种炭/芳纶混杂正交三向织物增强环氧树脂复合材料,采用基于全场位移的数字图像相关(DIC)方法,进行了其材料级拉伸性能试验,通过与炭纤维、芳纶纤维2种非混杂的正交三向复合材料对比,分析了炭/芳纶混杂方式对复合材料拉伸性能的影响。实验结果表明,经纬纱采用炭纤维,Z向纱为芳纶纤维的混杂正交三向复合材料面内拉伸模量和断裂强度最大,断裂伸长率和泊松比较高;接下来的复合材料拉伸模量和强度从高到低依次是非混杂的炭纤维复合材料、经纬纱采用炭纤维和芳纶间隔排列的混杂复合材料和非混杂的芳纶纤维复合材料。因此,按比例合理布置炭纤维和芳纶纤维的混杂正交三向复合材料,可实现强度和韧性的折衷设计。     

新型国产芳纶Ⅲ纤维的性能实验研究

测试了7批次新型国产芳纶Ⅲ纤维的复丝拉伸性能,且采用第07批次的芳纶Ⅲ纤维进行缠绕制作了NOL环试样和150 mm试验容器。实验结果表明,第04批、06批、07批芳纶Ⅲ纤维复丝强度平均值达到4 535 MPa以上,弹性模量大于139 GPa,这些性能与Armos(2A)纤维相当,断裂延伸率较Armos(2A)纤维低,约为2.9%~3.3%。芳纶Ⅲ纤维单向复合材料的拉伸性能也与Armos(2A)纤维相当,但层间剪切强度较Armos(2A)纤维低很多,150 mm国产芳纶Ⅲ纤维试验容器性能有高有低,表明芳纶Ⅲ纤维的成型工艺性差,线密度太低且不均匀,另外与树脂浸润性差,层间剪切强度低,有待于进一步优化成型工艺参数。     

“东丽卡”T1000超高强度碳纤维及其复合材料性能

高强度、中摸量碳纤维“东丽卡”T1000已研制成功。用树脂浸渍束丝试样,测得的T1000纤维的拉伸强度>7GPa,拉伸弹性模量为294GPa,断裂极限伸长率为2.4％。它的高拉伸强度很好地反映于其复合材料中。当它同合适的树脂系统结合时,得到的复合材料拉伸强度达3.5～3.8GPa。断裂伸长率达2.0％。     

受拉表面缠绕抑制单向碳纤维复合材料杆件的开裂与冲击敏感性

文章论述了在受拉情况下用芳纶纤维对单向碳纤维复合材料构件进行表面缠绕的概念。表面缠绕提供了单向碳纤维纬向破损前必须克服的压紧应力,实验证明它对受冲击构件的开裂起到明显的抑制作用,提高了构件的剩余压紧强度,同时由于表面缠绕中纤维含量相对较高,表面材料使构件增加的质量并不多。表面缠绕产生了较好的抗破坏碳纤维复合材料,为村料的开发应用开创了新的途径。     

国产芳纶纤维增强环氧复合材料的压缩性能

采用不同弹性模量的环氧树脂基体与国产芳纶Ⅲ纤维制备了复合材料,研究了复合材料压缩性能及其影响因素,分析了环氧树脂模量、芳纶纤维束张力、压缩测试方法等因素对复合材料压缩强度测试结果的影响规律。研究表明,环氧模量、纤维束张力的提高有利于压缩强度的提高,正交铺层的压缩测试方法有利于表征复合材料压缩本征性能。同时,探讨了芳纶纤维压缩失效的机理,提出了提高芳纶纤维复合材料压缩性能可能的途径。     

有机纤维束纱弹性模量测试分析

介绍了一种超声波测试技术,能快速简便地对有机纤维进行动态弹性模量测试,给出了动态和静态弹性模量的计算式,并测试了F-12芳纶、国产芳纶Ⅲ和PBO纤维的动态弹性模量,且采用GJB 348—87复丝拉伸实验对上述几种纤维的静态杨氏模量进行测试对比。实验结果表明,超声波测试F-12芳纶纤维、芳纶Ⅲ纤维和PBO纤维的动态弹性模量平均值分别比采用GJB 348—87测得的静态模量稍高;与GJB 348—87复丝拉伸实验相比,此方法具有测试装置简单、取样容易等特点,可作为一种常用的测试方法。     

碳-芳纶混杂正交三向复合材料疲劳性能实验研究

采用三维机织工艺结合树脂传递模塑(RTM)技术制备了两种碳-芳纶混杂正交三向复合材料,即z向纱均采用芳纶纤维,经纬纱分别为炭纤维和经纬纱间隔排列炭纤维和芳纶纤维的混杂正交三向复合材料,以恒定应力幅值、应力比和频率,开展了复合材料经向拉伸疲劳性能试验,通过与炭纤维复合材料的对比,分析了碳-芳纶混杂方式对复合材料拉伸疲劳性能(疲劳寿命、疲劳破坏特征和疲劳后强度/刚度)的影响。当z向纱选用芳纶纤维,面内经纬纱为炭纤维的混杂复合材料经向拉伸疲劳寿命表现出正混杂效应;当进一步混入芳纶纤维,面内经纬纱为炭纤维和芳纶纤维间隔排列正交三向复合材料疲劳寿命表现为负混杂效应,对疲劳刚度损失有一定的抑制作用。可见,炭纤维正交三向复合材料中引入芳纶纤维,对其复合材料拉伸疲劳性能有重要影响,通过设计纤维混杂方式和混杂比例可进一步提高复合材料疲劳性能。     

碳纤维湿法缠绕基体配方及成型研究

研究了碳纤维增强复合材料用湿法成型工艺、基体配方的性能和使用期。研究的HTllA、HTllB两种配方浇注体拉伸强度达到100MPa以上。模量为3．9GPa．力学性能优良。配方具有较高的耐热性。使用期大于9h，完全适用于湿法缠绕成型。缠绕的~H50mm碳纤维增强复合材料容器特性系数(Py／Ⅳ)均大于34km．纤维强度转化率(K)达到82％以上。     

工艺条件对粉末浸渍CF/PEEK预浸料层压板力学性能的影响

为获得浸渍效果良好、力学性能优异的连续碳纤维增强聚醚醚酮耐高温热塑性复合材料(CF/PEEK),分别采用粉末浸渍槽法(方法1)、二次粉末涂覆法(方法2)、二次粉末涂覆+熔融浸渍法(方法3),制备了3种CF/PEEK预浸带。在380℃,20MPa条件下,通过模压成型制备了CF/PEEK复合材料层压板,并研究了其力学性能。结果表明:碳纤维含量均为61%时,通过方法3制备的CF/PEEK层压板综合性能最高。采用该工艺制备的单向层压板拉伸强度为2 238.41 MPa,拉伸模量为104.80GPa,弯曲强度为2 157.50 MPa,弯曲模量为142.01GPa,层间剪切强度为116.22MPa。双向层压板拉伸强度为1 114.17MPa,拉伸模量为62.84GPa,弯曲强度为1 317.34MPa,弯曲模量为70.82GPa,层间剪切强度为96.74 MPa。测试了CF/PEEK层压板的耐高温性能,150℃条件下的弯曲强度保持率为73%。     

三叉戟Ⅰ(C_4)导弹第三级的高性能 PRD—49—Ⅲ纤维缠绕燃烧室的研制

洛克希德导弹空间公司计划采用杜邦公司的低密度、高强度、高模量PRD——49——Ⅲ纤维,研制一种三叉戟Ⅰ(C_4)导弹第三级所需的高性能纤维缠绕燃烧室,计划分三步进行:(1)确定材料的基本性能的特性数据;(2)用小尺寸的燃烧室试验来评定设计和制造设想;(3)用全尺寸壳体的爆破和结构试验来验证和确定设计与制造技术。本文提供了材料的基本性能以及小尺寸和全尺寸壳体的数据,数据证实了PRD—49—Ⅲ纤维燃烧室要比S—901玻璃纤维燃烧室轻35%,且复合材料的环向模量增加70%。     

γ-射线辐照APMOC纤维对AFRC弯曲强度的影响

为最大限度地发挥芳纶纤维增强复合材料(AFRC)的综合性能,确定了未处理AFRC的最佳树脂含量为36%~42%,再对在氮气介质中的APMOC纤维进行γ-射线辐照改性处理,采用单向纤维增强塑料弯曲性能试验方法及扫描电镜研究了辐照剂量对AFRC弯曲强度的影响。结果表明,在辐照剂量200~1000 kGy范围内,AFRC的弯曲强度均增加,且600 kGy的辐照剂量时复合材料弯曲强度提高幅度最大;经γ-射线辐照处理的芳纶纤维,其表面氧含量有所提高,使得纤维表面活性增大,且表面粗糙度有所增加,使树脂与纤维之间的粘合作用得到强化。     

纤维缠绕复合材料及混杂复合材料的双轴力学性能

本文对碳纤维(CF),Kevlar 49纤维(KF),玻璃纤维(GF)及其层内混杂复合材料压力容器的成型工艺和双轴力学性能进行了试验研究。对容器在内压作用下因刚度退化所引起的非线性应力应变行为,用逐步线性刚度退化理论进行拟合,所得理论值和实验结果相当吻合。水压试验和应变测试表明,在KF压力容器中加入CF,并使强度基本不变的前提下,可明显提高容器的刚度,基体的开裂强度有可能提高近3倍。若CF—GF层内混杂,则表现出较大的负混杂效应。     

固体火箭发动机复合材料壳体裙连接区结构数值分析

对某固体火箭发动机纤维缠绕复合材料壳体轴压载荷作用下裙与筒段连接区(裙连接区)进行了有限元结构分析。依照壳体的结构特征和受力特性建立了裙连接区3D简化分析模型,通过对某芳纶纤维壳体仿真结果和实验数据的对比分析,验证了模型简化的合理性和有限元结果的正确性;最后对某炭纤维缠绕复合材料壳体裙连接区进行了数值分析和壳体连接区结构方案改进。结果表明,增加补强层厚度和提高补强层纤维模量可有效降低应变极值,改善结构应力分布,经改进的结构设计方案承载能力可提高20%。     

受拉表面缠绕抑制单向碳纤维复合材料杆件的开裂与冲击敏感性

文章论述了在受拉情况下用芒纶纤维对单向碳纤维复合材料构件进行表面缠绕的概念。表面缠绕提供了单向碳纤维纬向破损前必须克服和压紧应力，实验证明它对受冲击构件的开裂起到明显的抑制作用，提高了构件的剩余压紧强度，同时由于表面缠绕中纤维含量相对较高，表面材料使构件啬的质量并不多。表面缠绕产生了较好的抗破坏碳纤维复合材料，为材料的开发应用开创和新的途径。     

芳纶/炭混编三维编织复合材料力学性能实验

基于三维五向和三维六向编织结构,设计并制备了4种芳纶/炭混编三维编织环氧复合材料,对比分析了芳纶/炭纤维混编方式(混编比)对三维五向和三维六向编织复合材料纵向拉伸性能、纵向和横向弯曲性能的影响。结果发现,同一种混编方式下,芳纶/炭三维五向编织复合材料纵向拉伸和弯曲性能均高于三维六向编织复合材料,而其横向弯曲性能均低于三维六向编织复合材料;同一种编织结构下,炭纤维为轴纱/六向纱的芳纶/炭混编三维编织复合材料纵向拉伸和弯曲性能较高;炭纤维为编织纱、芳纶纤维为轴纱的三维五向编织复合材料和芳纶纤维为编织纱、炭纤维为轴纱/六向纱的三维六向编织复合材料的横向弯曲性能和抗裂纹扩展能力明显提高。通过设计芳纶和炭纤维的混编方式,可进一步实现三维编织复合材料性能的可设计性。     

碳纤维/PBO纤维层间混杂复合材料性能

分别采用HTA-P30碳纤维、T800碳纤维与PBO纤维进行了层间混杂,研究了不同的混杂比、不同性能的碳纤维以及不同的粘接界面对PBO/碳纤维复合材料的拉伸性能和层间剪切性能的影响。试验结果表明,T800与PBO纤维混杂后,复合材料的强度表现出混杂负效应,而模量和层间剪切强度表现出混杂正效应,且均随混杂比的增大而降低。PBO纤维经过表面处理后,提高了混杂复合材料的弱界面层粘结性能,从而强度、模量、层间剪切强度的混杂效应系数均有不同程度的增大,尤其是层间剪切强度的混杂效应系数提高程度很大,并且与纤维的表面状态密切相关。随着PBO纤维的混入,可降低复合材料性能的分散性(离散系数),提高质量可靠性。     

碳纤维外缠绕的轻质纤维/金属压力容器

最近研制的轻质纤维/金属复合材料压力容器用的高强度碳纤维已通过了试验鉴定。对碳纤维性能、小试验气瓶性能、圆筒体性能、球体性能和低温贮箱性能等也进行了测量。试验结果与金属压力容器及其它纤维/金属压力容器结构进行了比较。碳纤维/金属圆筒压力容器和球形压力容器与以前性能最好的凯夫拉49/金属复合材料结构相比,其实际性能提高23％以上。     

中间相沥青基碳纤维表面特性和界面粘结性能

针对高模量、高热导率中间相沥青基碳纤维复合材料界面性能弱等瓶颈问题,深入研究该类纤维表面特性及其与树脂的界面粘结性能。选取3种典型中间相沥青基碳纤维,测试分析其微观形貌、表面能和极性与色散分量、表面元素种类与含量,利用微脱黏方法表征中间相沥青基碳纤维与环氧树脂的界面剪切强度。研究结果表明:中间相沥青基碳纤维表面均存在明显沟槽结构,但其呈化学惰性,选用的中间相沥青基碳纤维与环氧树脂界面剪切强度最高约为50 MPa,明显低于聚丙烯腈基碳纤维;纤维表面能越高,尤其是极性分量越高,中间相沥青基碳纤维/环氧树脂界面剪切强度越大,这些结果揭示了中间相沥青基碳纤维与树脂基体界面性能主控因素。