国产T800 S级碳纤维表面结构和耐磨性研究

采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)等方法,对比分析东丽T800S和两种国产T800S碳纤维的表面物理与化学结构特性,采用海绵摩擦法测试T800S级碳纤维的起毛量,研究纤维磨损对T800级碳纤维表面微观结构的影响。结果表明,三种T800S级碳纤维表面光滑、沟槽浅,呈典型干喷湿纺工艺特征,但表面粗糙度存在较大差异,国产T800S碳纤维表面粗糙度是东丽T800S的1.5～3倍,起毛量是东丽T800S的8～12倍,耐磨性较差。磨损后,东丽T800S碳纤维表面几乎没有磨痕,而两种国产T800S级碳纤维表面出现磨痕和"斑块化",且碳纤维毛丝呈不同形态。通过研究,掌握国产T800S碳纤维表面结构信息,初步评价国产T800S级碳纤维的耐磨性,为国产T800S级碳纤维材料优选和工程化应用提供技术指导。     

碳纤维表面改性研究进展

文章阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中界面的粘接机理，介绍了碳纤维的表面结构与性能，重点综述了常用的碳纤维表面处理方法。     

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。     

表面改性碳纤维增强树脂基复合材料研究进展

界面是处于连接增强纤维和基体之间的极其重要的微观结构,良好的界面结合能有效地传递载荷,从而提高材料的力学性能,由于碳纤维表面呈惰性,比表面积小,表面能低等缺点导致材料界面层结合强度低,因此有必要通过某种途径改善其上述缺陷.目前,改善碳纤维表面缺陷的方法是对碳纤维表面进行表面改性处理,从而提高其界面力学性能.在界面的研究中,提高其碳纤维与基体的结合强度是改善复合材料力学性能的关键.因此,对碳纤维复合材料界面结合强度的各种影响因素进行分析,综述了碳纤维增强树脂基复合材料界面构筑方法及其对复合材料力学性能的影响.     

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T1000级碳纤维性能

通过国产T1000级碳纤维表面状态、单向板、NOL环及185 mm壳体的实验研究,分析了两种国产T1000级碳纤维的表面物理和化学状态,复合材料的微观界面性能及力学性能。结果表明,两种国产T1000级碳纤维表面光滑,断口基本呈现为规整的圆形,国产T1000级碳纤维能获得较高的拉伸强度。两种国产T1000级碳纤维单向板0°拉伸强度均略低于进口T1000碳纤维,这是由于HF50S碳纤维单向板呈现部分纤维束型的破坏和部分断裂型的破坏;两种国产T1000级碳纤维单向板90°拉伸强度均略低于进口T1000碳纤维,这是由于国产T1000级碳纤维与树脂基体之间的机械锚钉作用较弱,界面粘接强度较低;两种国产T1000级碳纤维缠绕壳体爆破压强是进口T1000壳体爆破压强的0.93和0.88,这是由于SYT55碳纤维和HF50S碳纤维缠绕时容易起毛和界面粘接性能较差。     

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。     

碳纳米管及连续碳纤维增强复合材料研究进展

文章综述了近年来碳纳米管及连续碳纤维增强复合材料在工程应用、材料体系、表面改性等方面的研究进展,并对碳纳米管和连续碳纤维共同增强复合材料在航天工程领域的应用进行了展望。     

碳-酚醛复合材料烧蚀特征的扫描电镜分析

用扫描电镜观察了用不同种类碳纤维增强的酚醛树脂复合材料的烧蚀样品,并对其微观结构进行了比较。结果表明:高模量、高强度、中强度碳纤维的结构不同,纤维的烧蚀表面的特征也相应不同。纤维表面及内部杂质对烧蚀性能有不利影响。     

表面氧化处理对提高碳/酚醛材料性能的影响

采用次氯酸氧化和ＫＨ５５０偶联剂对碳纤维表面进行处理，研究了其对提高碳纤维及碳布增强钡酚醛材料力学性能和烧蚀性能的影响，并对氧化处理后碳纤维的表面性能进行了表征。得出，该方法是提高复合材料层间剪切强度和持有效方法，它可 间剪切强度提高了１７．５％，线烧蚀率减小５８．６％。     

不同截面炭纤维表面特性及其对复合材料界面粘接性能的影响

使用SEM、AFM、比表面积与孔体积测试分析仪(BET)和XPS对国产腰形截面炭纤维、圆形截面高强炭纤维和国外圆形截面T300炭纤维表面特性进行物理与化学表征与分析,并对炭纤维/环氧复合材料界面粘接性能进行了研究。表面形貌分析表明,腰形截面炭纤维比表面积大于圆形截面炭纤维,但其表面沟槽较圆形截面炭纤维浅。XPS分析表明,腰形截面炭纤维的表面活性略高于国产圆形截面炭纤维,但明显低于T300;界面剪切强度与层间剪切强度测试结果表明,腰形截面炭纤维/环氧复合材料的界面剪切强度和层间剪切强度均接近于T300/环氧复合材料,高于国产圆形截面炭纤维/环氧复合材料。     

国产高模量碳纤维抗真空紫外辐照性能试验研究

通过地面模拟试验研究了真空紫外辐照对国产BHM3高模量碳纤维质量损失率的影响,并采用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和X射线光电子能谱（XPS）仪对辐照前后的样品进行微观分析。结果表明,随着真空紫外辐照剂量增加,碳纤维质损率呈现先增加后平缓现象,质量损失率较少;紫外辐照作用前后碳纤维表面形貌和元素组成基本未变,说明其具有良好的抗紫外辐照性能。     

几种高性能纤维的表面性能及其对界面粘接的影响

分别使用扫描电镜和X射线光电子能谱仪，对T-800炭纤雏、F-12有机纤维及新型超高强度PBO纤雏(聚对苯撑苯并双嗯唑)进行了物理与化学表征和分析，用SEM观察得出这三种纤雏表面物理形态差别清晰可见，T-800纤雏表面沟槽深且直径小，PBO纤雏表面极光滑且直径中等，F-12纤维直径最大且表面有微小沟槽。XPS定量分析表明，这三种纤维表面活性也不一样，T-800纤维表面活性较多，PBO纤维表面活性最差。纤维表面状态的差异体现在它们与树脂复合后的材料界面粘接性能上，T-800纤维的界面剪切强度(IFSS)高，F-12纤雏次之，PBO纤雏最差。     

PAN基高模量碳纤维微观结构研究

采用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和拉曼光谱(Raman光谱)研究了3种自制PAN基高模量碳纤维(1#,2#,3#)的微观结构,并与M40J,M46J,M55J碳纤维进行了对比。结果表明:3种自制PAN基高模量碳纤维微晶尺寸的大小顺序为3#2#1#;1#到3#碳纤维表面和截面Raman光谱所获得的R值(D峰和G峰的积分强度比)均减小,石墨化程度升高,结晶性变好;1#碳纤维的结晶性介于M40J碳纤维和M46J碳纤维之间,2#和3#介于M46J碳纤维和M55J碳纤维之间;三者的石墨化程度略高于M46J碳纤维。     

纺丝工艺对炭纤维缠绕复合材料强度转化率的影响

通过不同纺丝工艺的聚丙烯腈基炭纤维表面状态、NOL环及Φ150 mm容器的实验研究,分析了不同纺丝工艺对湿法缠绕复合材料聚丙烯腈基炭纤维强度转化率的影响。结果表明,干喷湿纺炭纤维比湿法纺丝Φ150 mm容器环向纤维强度转化率要高出11.9%~15.4%,湿法纺丝的炭纤维复合材料NOL环层间剪切强度要比干喷湿纺炭纤维复合材料高7.4~34.1 MPa。因此,干喷湿纺的炭纤维可应用于固体火箭发动机缠绕壳体、压力容器等主要承受拉伸应力的领域,可充分发挥其纤维强度;而湿法纺丝工艺制成的炭纤维与树脂基体结合紧密,利于载荷的传递,可应用于承受压缩剪切等复杂载荷的领域,从而发挥这两种纤维各自不同优势。     

Twaron纤维的新型化学活化方法

以傅瑞德-克拉夫茨(Friedel-Crafts)反应为基础,活化处理Twaron纤维的惰性表面。对经过活化处理的Twaron纤维进行了单丝拔出(SFP)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、红外图谱(FTIR)、表面电子能谱(XPS),以及表面自由能等测试。测试结果显示,经过活化处理后,Twaron纤维表面因环氧基团的接枝而使表面自由能显著增加;纤维表面的结晶结构未发生显著改变,纤维的本体强度未降低;相对应的环氧树脂基复合材料的单丝拔出强度提高了约50%。     

炭纤维网胎表面改性

为改善炭纤维网胎的针刺性能,采用二甲基硅油、咪唑啉、水溶性二甲基硅油等表面剂处理炭纤维网胎,按照相同针刺工艺制备试验件.扫描电镜结果表明,二甲基硅油处理后网胎纤维相互粘连,水溶性二甲基硅油处理后的网胎呈疏松状态,纤维表面光滑.3种表面剂处理的针刺试样Z向剥离强度,咪唑林达到0.144 MPa,其余两种达到0.128 MPa.相对于咪唑啉和二甲基硅油,水溶性二甲基硅油可与水以任意比例互溶,且成本低,为理想的炭纤维网胎表面处理剂.     

纤维混编CMC-SiC的残余热应力计算

将SiC纤维引入到C/PyC/SiC中,有望减少因C纤维与SiC基体热膨胀系数不匹配而导致的基体残余热应力。研究了C纤维和SiC纤维混编方式和混编比例对复合材料残余热应力的影响规律。采用有限元法建模、计算了纤维混编接触分布和相间分布复合材料的残余热应力,结果表明:(1)与C/PyC/SiC比,C纤维和SiC纤维混编增强SiC基复合材料可减少SiC基体的残余拉应力;(2)相同混编比例时,纤维混编接触分布((x C-y SiC)/PyC/SiC)复合材料的基体轴向残余应力比纤维混编相间分布((x C×y SiC)/PyC/SiC)复合材料基体的小;(3)以纤维混编接触分布为例,SiC基体的轴向残余应力随混编复合材料中SiC纤维的增加而减小,但当C纤维和SiC纤维的混编比例由1∶2变为1∶4时,基体的轴向残余热应力仅从174 MPa下降到170 MPa。     

发射箱导轨用石墨填充碳/酚醛复合材料研究

采用石墨填充碳/酚醛模压复合材料技术成形导轨面材料,通过试验,研究和分析了材料各组分对材料摩擦磨损性能的影响。试验结果表明,在石墨含量为10%,碳纤维含量为30%时,石墨、碳纤维填充酚醛树脂复合材料的摩擦磨损性能、烧蚀性能较好,且摩擦系数低,适于用作导轨表面材料。