国产CCF700-12K碳纤维及其复合材料的性能研究

文摘以某重要型号产品高强碳纤维材料国产化为研究背景,开展了CCF700-12K碳纤维及其复合材料力学性能、耐空间环境性能以及热性能研究。结果表明,国产CCF700-12K碳纤维拉伸强度为4 706 MPa,拉伸模量为268 GPa;CCF700-12K/F46复合材料单向板拉伸强度为1 958.8 MPa,拉伸模量为144.79 GPa;CCF700-12K碳纤维的力学性能优异,工艺性能稳定,能够满足复合材料结构工程应用要求。     

国产高模碳纤维/环氧复合材料在太阳翼基板上的应用研究

基板是空间太阳电池阵电池电路的安装基础，“上下碳纤维复合材料网格面板+铝蜂窝芯+聚酰亚胺膜”是基板的典型结构。高模量碳纤维作为太阳翼核心关键原材料，必须实现自主可控，避免受制于人。为此，开展了国产高模碳纤维CCM40J-6K/环氧复合材料在太阳翼基板上的应用试验研究，提出了CCM40J-6K/环氧复合材料在产品应用上的宏观力学、微观网格抗拉脱、聚酰亚胺膜粘贴等三个关键环节，针对性地设计并实施了常温和高低温交变力学性能、网格面板节点结合力、聚酰亚胺膜粘贴性能以及基板结构热循环性能等5个方面的测试验证。验证结果表明：CCM40J-6K太阳翼基板各项力学性能与进口M40JB-6K相当，可以沿用原M40JB-6K相关基板成型工艺，单层及多层铺层基板试验件能够经受高低温交变及热循环恶劣环境，试验件试验前后力学性能无明显变化，且聚酰亚胺膜无脱粘现象，网格节点拉伸强度国产碳纤维网格面板相比进口碳纤维网格面板高18.9%。说明国产碳纤维CCM40J-6K能够应用于太阳翼基板结构研制。     

碳纤维单轴向缝编织物及其复合材料性能影响研究

以碳纤维单轴向缝编织物为研究对象,开展了树脂体系及其复合工艺、织物结构参数和碳纤维种类对碳纤维单轴向缝编织物使用工艺性及其复合材料主要力学性能的影响研究。结果表明:经向碳纤维和衬纬材料的种类及其面密度等结构参数对织物弯曲硬挺度和织物单向渗透率的影响规律基本相似;无论是碳纤维缝编织物单向渗透率还是复合材料的主要力学强度,真空吸附工艺中,基于TDE-85环氧树脂的自制6#环氧树脂体系均明显优于市售用基于双酚A环氧树脂的环氧树脂体系;采用610A树脂预浸料工艺、或经向碳纤维的适当展纱、或干喷湿法纺丝技术制备的碳纤维,均有利于进一步提高碳纤维单轴向缝编织物复合材料的主要力学性能。这为碳纤维缝编织物结构设计、主要原材料选择、制备工艺、配套树脂体系及其复合工艺等选择优化提供一些参考,为碳纤维缝编织物、尤其是为国产碳纤维缝编织物的制备和推广应用奠定了良好基础。     

国产中温固化热破胶膜性能

考察了一种适用于卫星太阳翼基板的国产中温固化胶膜的胶接性能和热破工艺性,并分别采用国产和进口胶膜,利用胶膜热破施胶方法制备了碳纤维网格面板/铝蜂窝芯夹层结构,对其弯曲性能进行评价。结果表明,国产胶膜的室温拉伸剪切强度（铝基材）为34.9 MPa,150 ℃时拉伸剪切强度降为10.2 MPa,-150 ℃时拉伸剪切强度降为30.4 MPa。碳纤维复合材料作为胶接基材时,室温拉伸剪切强度为17.5 MPa,破坏模式为基材分层破坏和胶黏剂内聚破坏的混合破坏模式。国产胶膜具有良好的热破工艺特性,在合适的工艺条件下,破孔率优于99.9%,90°板-芯剥离强度为15.4 N/cm;采用国产胶膜制备的蜂窝夹层结构的弯曲性能与采用进口Redux312UL的接近,弯曲刚度为1.94×10⁸ N·mm²,弯曲强度为35.7 MPa。     

黏胶丝基碳布增强C/C复合材料研究

采用黏胶丝基碳布进行了二维层板C/C复合材料研究。和PAN基碳布进行对比,分别从碳纤维微观结构、表面形貌、碳布物理性能、树脂基复合材料炭化过程残余热应力模拟、C/C复合材料力学和热物理性能表征等方面进行了对比分析和研究。结果表明,2 200℃处理的黏胶丝基碳纤维是非石墨化结构;纤维横断面呈腰子形,碳布纬向纱弯曲。黏胶丝基碳纤维的密度仅1．39 g/cm~3;拉伸模量很低,约50 GPa。炭化过程研究表明,黏胶丝基碳纤维轴向具有持续的正的线膨胀行为,在炭化初期与酚醛树脂的膨胀行为相一致;黏胶丝基碳布增强树脂基材料在800℃的面内自由热应变是PAN基材料的1/8;模拟的炭化过程热应力是PAN基材料的1/60。黏胶丝基C/C层板材料的层剪强度高于PAN基C/C复合材料,达到16．2 MPa;其拉伸强度为46．6 MPa,弯曲强度高达95．5 MPa,拉伸模量与弯曲模量基本一致,约10 GPa。黏胶丝基C/C复合材料在800℃的热导率是6．48 W/(m·K),与PAN基C/C复合材料非常接近;在800℃的线膨胀系数是2．18×10~(-6)/ K,远高于PAN基C/C复合材料的-0．387×10~(-6)/K。总之,黏胶丝基碳纤维由于其表粗糙度大、碳布纬向纱弯曲、极低的拉伸模量、正的轴向线膨胀系数,因而C/C复合材料层剪强度高,成型工艺中热应力低,较PAN基碳纤维更适合于研制不分层的二维C/C复合材料。     

国产碳纤维在某型号复合材料壁板的应用情况分析

利用质量工具Minitab软件对比了应用在某型号上的国产碳纤维与进口碳纤维T300的性能,发现二者线密度存在统计上的显著差异,拉伸模量与弹性模量没有显著差异。结合批产的数据,从结构、工艺角度对比,分析了国产碳纤维与T300两种纤维体系的产品质量差异。     

非周期性三维五向编织复合材料拉伸失效机理

以三维五向结构为研究对象,设计减纱工艺形成非周期性特征,进而制备碳纤维/环氧树脂三维五向编织非周期性结构复合材料。采用万能试验机与高速摄像机相结合的测试方式,获取非周期性结构拉伸力学行为及试验过程;在此基础上,通过高分辨率Micro-CT及SEM对非周期性结构试样破坏形貌进行观测,研究渐进损伤演化及最终失效机理,并与周期性结构的结果进行对比。研究表明:非周期性三维编织复合材料拉伸强度比相同结构参数周期性材料的测试值低16. 84%,损伤源于减纱处,形成了应力集中,最终破坏模式以纤维束抽拔断裂为主。该研究结果可为异型编织复合材料结构设计及强度分析提供依据。     

国产CCF300碳纤维及其NCF织物的性能

为牵引和推动国产碳纤维及其织物在复合材料液体成型技术中的进一步应用,对国产CCF300碳纤维表面特性、CCF300 45°/-45°和CCF300 0°/90°两种非屈曲经编织物(NCF)的编织工艺性、铺覆变形性以及NCF织物增强复合材料的力学性能进行了系统表征。研究结果表明:国产CCF300碳纤维表面物化活性较高;CCF300 0°/90°编织织物的编织工艺更稳定;NCF织物增强复合材料具有与单向织物增强复合材料相当的力学性能,同时兼具良好的结构稳定性、铺覆性和成型性,具备成为复杂形状预成型体的可行性。     

編織立体織物簡介

三向立体织物是三个方向纱线成直交编织成的一种新型的立体织物结构。三个方向的纱线可以采用同一种材料制成各向同性的产品,也可以采用几种材料制成各向异性的产品。用碳纤维增强碳毡也可以制得立体织物。这两种立体织物经碳/碳复合后成为一种耐高温高压、高的烧蚀性能、轻质高强的结构材料和烧蚀材料。同时这种织物结构克服了层压及缠绕方法制成的产品层间剪切强度低和分层的弊病。     

二维/三维玄武岩搭接织物增强复合材料接合性能研究

研究了二维和三维玄武岩搭接织物增强复合材料接合处的性能。这种搭接复合材料是在三维正交织机上,通过改变织造方法和工艺,设计织造了单面阶梯状和双面阶梯状的三维玄武岩织物。设计了两种搭接方式,将玄武岩二维织物搭接到三维织物的阶梯处,并选取四种搭接长度,经过组合分别用真空辅助树脂转移成型技术做成织物增强复合材料。对材料的拉伸和弯曲的力学性能进行了测试,结果表明,双面搭接方法都比单面搭接方法更为有效,对提高二维和三维玄武岩织物增强复合材料搭接接合处的拉伸和弯曲性能更为有益。     

锡在碳/铜复合材料中的分布规律

在碳纤维/铜复合材料中加入少量锡,一方面能提高复合材料的抗磨性;另一方面能显著地降低复合温度。因碳纤维的表面性能和结构的特殊性,锡与铜的原子结构的差异对碳/钢复合材料中锡原子的迁移和分布有较大影响。锡在碳纤维附近的含量不同,与铜形成的合金具有不同的相组织,特别是当碳纤维/基体界面区的含锡量高达一定值时,产生以     

碳纤维表面物理特征图像处理方法

利用Image Pro Plus和Photoshop等图像处理软件对三种典型碳纤维样品断面的扫描电镜照片进行了图像分析及处理,使用Matlab对图像进行了数字化处理,计算得到国产1~#及2~#碳纤维样品的圆度分别是0.980和0.809,与,T300碳纤维的圆度0.846有一定差异.通过该方法可以定量化地表征碳纤维表面的物理特征.     

FINITE DIFFERENCE MODEL FOR SIMULATION OF DENSIFYING CARBON-CARBON COMPOSITES BY CHEMICAL VAPOR INFILTRATIONP ROCESSES

ＮｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅｓＡ０—ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅＡｒｈｅｎｉｕｓｅｑｕａｔｉｏｎＣ（ｎ）—ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｕｎｉｔ（ｎ）（ｍｏｌ／ｃｍ３）Ｃ０—ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｔｅｘ...     

国产碳纤维CCF300与T300碳纤维复合材料拉伸载荷下的失效模式分析

通过常温干态、常温湿态、高温干态、高温湿态四种环境条件下,对5种国产碳纤维与T300碳纤维复合材料进行纵向拉伸试验,采用宏微观相结合的方法,从数据表现、宏观形貌以及微观形貌(电镜扫描照片)三个方面对其失效模式和损伤机理进行了研究.结果表明国产纤维复合材料虽然在拉伸性能上基本能超越T300复合材料,但是其失效模式却不尽相同,特别是由于界面性能的不同而造成的失效模式的差异尤为明显.因此,国产碳纤维复合材料要得到更为广阔的应用,还需进一步改进其界面性能.      

Φ10 mm 碳纤维复合材料管成型工艺及性能研究

对外径为Φ10 mm碳纤维复合材料管成型工艺及性能进行了研究。结果表明,采用热缩工艺成型的碳纤维复合材料管工艺简单、质量可靠,Φ10 mm碳纤维复合材料管件弯曲刚度与不锈钢管相当,弯曲强度为不锈钢的3倍以上,质量仅为不锈钢的50%,尺寸精度满足设计要求。     

Defect suppression mechanism of ultrasonic vibration-assisted drilling carbon fiber/bismaleimide composite

Ultrasonic vibration-assisted drilling (UVAD) has recently been successfully applied in the drilling of carbon fiber reinforced polymer/plastic (CFRP) due to its high reliability. Multiple defects have been observed in the CFRP drilling process which negatively affects the quality of the hole. The carbon fiber/bismaleimide (BMI) composites is an advanced kind of CFRPs with greater strength and heat resistance, having been rapidly applied in lightweight and high temperature resistant structures in the aerospace field. To suppress the defect during the drilling of carbon fiber/BMI composites, it is necessary to comprehensively understand the defect formation and suppression mechanism at different positions. In this study, the defects formation in both conventional drilling (CD) and UVAD were observed and analyzed. The variation trend in the defect factor and thrust force with the spindle speed and feed rate were acquired. The results revealed that the UVAD could significantly enhance the hole’s quality with no delamination and burr. Meanwhile, the defect suppression mechanism and thrust force in UVAD were analyzed and verified, where the method of rod chip removal affected the exit defect formation. In summary, UVAD can be considered a promising and competitive technique for drilling carbon fiber/BMI composites.     

碳纤维丝缠绕无人机毁伤效能分析

无人机的应用随着科技的进步迅速发展,但在交通等方面带来的安全隐患却逐渐凸显。基于碳纤维丝缠绕无人机毁伤机理,采用ABAQUS有限元分析软件对不同形状纤维丝缠绕无人机螺旋桨过程进行了数值仿真分析。结果表明,不同纤维丝形状对螺旋桨缠绕的效果不同：对螺旋桨旋转速度的影响,圆形纤维丝缠绕效能较优;而对螺旋桨前行速度的影响,矩形纤维丝缠绕效能更优,该结果可为以后此类反无人机方式中对于纤维丝的选取提供参考。     

阶梯钻钻削碳纤维复合材料的钻削力及孔质量

根据碳纤维复合材料制孔过程中产生的缺陷,自主磨制专用钻头——阶梯钻对碳纤维复合材料进行钻削实验,研究了在不同加工参数下阶梯钻钻削碳纤维复合材料的钻削力、孔出口质量、孔壁表面粗糙度,并与普通麻花钻头进行对比。结果表明:阶梯钻产生的钻削轴向力是麻花钻的一半,孔壁表面粗糙度值更小,孔出口没有明显的缺陷,阶梯钻适合钻削碳纤维复合材料。     

复材制件固化过程温度控制的探讨与实践

复合材料制件在成型过程中温度均匀性的控制,是影响产品各项力学性能的关键因素之一。通过对实际生产中典型碳纤维/环氧复合材料固化过程进行分析,分别从零件构型、工装结构和热电偶模拟方式3个方面对碳纤维/环氧复合材料制件固化过程热温度控制进行研究。分析得出该类复材制件固化时零件温度控制的一般规律,为后续同类型零件的温度控制研究打下基础。