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。     

紫外光辐照对PBO纤维复合材料力学性能的影响

采用紫外光加速老化试验箱、材料试验机和DMA研究了紫外光辐照时间对PBO纤维复合材料性能的影响。研究结果表明:紫外光辐照导致PBO纤维复合材料的拉伸强度、弯曲强度以及层间剪切强度出现了一定程度的下降,但对复合材料的模量影响较小;经紫外光辐照一定时间后,PBO纤维复合材料的耐热性和刚性均有所提高,随着辐照时间增加,复合材料的E′和E″向低温方向移动,表明复合材料的耐热性和刚性又开始下降。     

z向纱对三维正交复合材料层间剪切性能影响

采用置换法增强体成形工艺和树脂传递模塑(RTM)固化工艺制备炭纤维三维正交复合材料。对比研究了不同z向纱体积含量的三维正交复合材料的细观结构、层间剪切性能和破坏形貌。结果表明,基于置换法成形工艺制备的三维正交预制体其3个方向的纱线具有优异的伸直性;z向纱的体积含量在1%~5%时,对材料的层间剪切强度及模量的增强作用明显;同时,随着固化成型压力的增加,材料的层间剪切强度呈上升趋势,但当压力增大到一定程度,纤维屈曲现象明显,从而降低层间剪切强度的增加幅度;在层间剪切载荷的作用下,材料的主要破坏模式包括纤维的断裂、抽拔以及z向纱与树脂的脱粘,但相应增加z向纱的细度,使z向纱与基体之间的孔隙尺寸减小,可防止材料分层现象的产生。     

M40/648碳纤维环氧复合材料热循环效应研究

空间热循环作用的耐受性是决定碳环氧复合材料在轨服役寿命的重要因素之一。文章以M40/648碳纤维环氧复合材料为研究对象,开展了热循环(温度区间:-150~+150℃)效应试验研究,分析了试验前后的材料质量损失率、层间剪切性能、微观形貌和表面成分的变化。结果显示:热循环作用后材料的质量损失率在0.04%~0.07%之间;200次热循环使材料层间剪切强度提高,而300次热循环导致材料层间剪切强度下降1.16%;热循环作用对材料断口形貌影响较大,同时造成材料表面碳元素含量降低。     

混杂纤维压力容器成形技术研究

以F12／T800纤维为增强材料，进行层内、层间几种不同混杂形式的Φ150mm压力容器强度及变形性能研究。结果表明，层内、层间混杂容吕强度接近，均低于全碳纤维、全F12纤维容器，但其应变低于F12纤维容器，具有较高的刚性。     

F-12/CF混杂复合材料纵向拉伸性能研究

研究了铺层参数对F-12芳纶纤维与HTA-P30炭纤维混杂复合材料纵向拉伸性能及混杂效应的影响。结果表明，与炭纤维混杂后，可显著提高F-12芳纶纤维复合材料的纵向拉伸模量，且混杂复合材料的纵向拉伸模量基本符合混合定律的预测值。而纵向拉伸强度均低于混合定律的预测值，表现出明显的混杂负效应，但断裂延伸率表现出明显的混杂正效应。铺层顺序对纵向拉伸强度及其延伸率有显著影响，混杂比为17％左右时，混杂材料综合性能最佳。     

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。     

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。     

T800碳纤维/PEEK热塑性复合材料的拉伸与剪切失效行为研究

采用T800碳纤维/聚醚醚酮(T800/PEEK)预浸料，以高温、模压方式制备了热塑性单向复合材料，通过拉伸、面内剪切试验方法对其模量和强度进行了测试分析，得到了不同载荷形式作用下的宏观失效破坏模式。针对T800/PEEK复合材料的微细观结构特点，建立了有限元代表性体积单元模型(RVE)和碳纤维、PEEK基体以及纤维/基体界面三种材料的本构关系，基于渐进损伤失效模型和内聚力模型得到了单轴拉伸/压缩、面内剪切载荷作用下单元模型的应力应变曲线和微细观失效模式。相比于试验测试结果，有限元模型预测得到的拉伸模量/强度相差最大为11%,剪切模量/强度相差最大为5%。     

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。     

溶胶-凝胶Al2O3涂层石英纤维增强甲基硅树脂基复合材料的制备

采用溶胶-凝胶法在石英纤维的表面涂敷Al2O3涂层,用AFM对涂敷后纤维的表面形貌进行了研究,并通过束丝拉伸强度的测试优化了Al2O3涂层热处理工艺条件,着重分析了Al2O3涂层对石英纤维增强甲基硅树脂复合材料界面性能的影响。结果表明,Al2O3涂层在500℃下可有效隔绝石英纤维与树脂基体之间的反应,改善复合材料的界面强度,提高复合材料的层间剪切性能。经400、600℃热处理后的Al2O3涂敷石英纤维增强复合材料的层间剪切强度分别为8.2、5.4 MPa,分别是未涂敷复合材料的3.4倍和2.3倍。     

二维炭/炭复合材料中纤维-树脂体系的研究

对三种炭纤维和三种酚醛树脂进行了六各二维层合炭／炭复合材料研制，测试了层同剪切强度和拉伸强度，ＴＣＦ／ＦＥ体系，ＲＣＦ／ＲＰＨ体系所制备的二维Ｃ／Ｃ具有较高的层间剪切强度和拉伸强度，层间强度在１６ＭＰＡ以上，结果表明，二维炭／炭中纤维－树脂体系存在一个最佳配合问题；纤维不约而同的官能团比表面度在界面连接上起重要的作用，树脂的选择还要结合其结构表进行。     

湿热老化对PBO纤维/环氧树脂单向复合材料弯曲性能的影响

研究了在湿热老化过程中,PBO纤维/环氧树脂单向复合材料弯曲性能的变化规律,发现PBO纤维/环氧树脂复合材料具有不同于一般的纤维增强树脂复合材料的湿热老化特点。研究发现PBO纤维/环氧树脂单向复合材料在湿热老化过程中,相比温度而言,湿度对复合材料弯曲性能的影响更为显著,复合材料在老化过程中吸水率增加的同时,弯曲性能相应降低。其主要原因在于PBO纤维的表面为化学惰性,表面形貌光滑,与环氧树脂浸润性不好,界面粘接力主要是较弱的范德华力。在湿热老化过程中,水分的吸收和渗透造成PBO纤维与环氧树脂基体之间的界面的破坏,构成了该类复合材料独特的湿热老化特性。     

2D C/C复合材料超高温压缩性能试验研究

基于C/C复合材料良好导电特性,采用试样直接通电加热技术,对2D C/C复合材料在室温~2 400℃范围的压缩性能进行了试验研究,发展了C/C复合材料超高温力学性能试验方法,得到了2D C/C材料压缩强度、模量随温度的变化规律及其破坏模式。结果表明,2D C/C材料在一定温度范围内表现为线弹性、脆性破坏,压缩强度与模量随温度升高而增加,其中强度较模量增幅显著,强度在2 400℃左右达到最大;纤维束层间界面性能在2D C/C复合材料中起着重要作用,层间界面性能的改变直接影响着材料的力学性能及其破坏模式。     

混杂纤维复合材料受拉构件的最优混杂比研究

基于复合材料力学中的复合定律和断裂应变破坏准则,讨论了混杂纤维复合材料的断裂特性,得到了以纤维层拉伸强度和拉伸模量表示的两种纤维混杂复合材料受拉构件的临界混杂比和拉伸强度;并讨论了最优混杂比的选取方法。算例表明,文中给出的最优混杂比的确定,就是一种满应力的优化设计,它可用于固体火箭发动机混杂纤维缠绕壳体的初步设计。     

复合材料界面强度微脱粘测定技术的研究

研究了测定复合材料中纤维与基体间界面剪切强度的微脱粘方法及仪器，该仪器可直接对取自实际复合材料的微小样品进行单纤维原位测量，不必专门制备样品，并且精密度高，成功地表征了碳纤维增强复合材料界面性能，它对于复合材料两相间界面粘结状况、界面设计的研究是一种十分有效的手段。     

BHM3碳纤维及其氰酸酯基复合材料耐原子氧侵蚀性能

利用原子氧暴露地面模拟实验装置,分别对BHM3型高模量碳纤维及其增强的氰酸酯基复合材料进行了原子氧暴露模拟实验,采用SEM、XRD、XPS技术分析了原子氧对碳纤维及其氰酸酯复合材料的侵蚀行为。结果表明,经过1×10 21 atoms/cm 2剂量的原子氧暴露后,碳纤维及其氰酸酯复合材料质量损失率均低于1%,纤维表面形貌及组成不变,碳纤维/氰酸酯复合材料的层间剪切强度降低16%。     

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.     

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％。     

循环吸湿对炭纤维复合材料界面性能的影响

通过对炭纤维增强复合材料进行70、85、100℃下的循环水浸吸湿试验,研究了复合材料在不同水浸温度下的吸湿-脱湿行为规律。同时,对循环吸湿-脱湿过程中的试样进行层间剪切强度测试和动态力学性能测试,并结合扫描电镜观察循环吸湿各个阶段的纤维基体结合状态。结果表明,水浸温度越高,水分的扩散速率越快,饱和吸湿率越大。经过循环吸湿后复合材料的吸湿行为仍满足Fick第二定律,吸湿后层间剪切强度下降,湿热循环次数越多下降的越明显。脱湿后层间剪切强度有所恢复,水浸温度越高造成的不可逆破坏越大,层间剪切强度恢复的越少。干态时的玻璃化转变温度为231℃,吸湿后下降了37℃。