碳纤维表面特征对碳/环氧复合材料界面性能的影响

为了研究碳纤维表面特征与碳/环氧复合材料界面剪切强度的定量关系。采用扫描电子显微镜、比表面积分析仪、X射线光电子能谱仪对T800级碳纤维表面形貌、比表面积和表面化学特征进行了测试表征,并使用微珠脱粘法测试了复合材料的界面剪切强度(IFSS)。基于碳纤维比表面积测试结果,引入真实界面面积的概念,重点分析了界面面积和化学特征对IFSS的影响机理和规律。结果表明,不同表面状态的T800级碳纤维比表面积存在明显差异,两种除浆工艺处理的碳纤维比表面积相差25.4%。消除界面面积影响的真实界面剪切强度(IFSS’)与碳纤维表面氧碳比呈现出较好的线性相关性,R2达到了0.94。反映出提高碳纤维比表面积和表面氧碳比是改善复合材料界面性能的有效手段;同时,也为定量研究碳纤维表面物理和化学特征对复合材料界面性能的影响提供了一种新的分析思路。     

国产T700级碳纤维增强双马树脂基复合材料的力学性能

采用扫描电子显微镜(SEM)、反气相色谱(IGC)和X射线光电子能谱仪(XPS)对国产T700级碳纤维和东丽T700S碳纤维的表面形貌、表面能和表面化学特性进行表征,测试两种碳纤维增强双马树脂基复合材料的力学性能,考察国产碳纤维复合材料的界面黏结性能、韧性和湿热性能。结果表明:碳纤维表面特性(表面形貌、表面能和表面化学组成等)对复合材料界面黏结性能具有显著影响;国产T700级碳纤维/QY9611复合材料在室温下的界面黏结性能优于T700S/QY9611复合材料;国产T700级碳纤维/QY9611复合材料的韧性优异,冲击后压缩强度达到了国外先进复合材料IM7/5250-4的水平;经湿热处理后的层间剪切强度仍与T700S/QY9611复合材料相当,说明国产T700级碳纤维/QY9611复合材料具备良好的湿热性能。     

国产T800级碳纤维/环氧树脂复合材料湿热性能

采用扫描电镜、红外图谱分析三种国产T800级碳纤维的物理形貌以及表面上浆剂的化学结构。针对三种国产T800级碳纤维(CCF800)/环氧树脂复合材料在湿热环境下的吸湿行为,研究经不同时间湿热和高温环境下处理后的层间剪切性能,并通过扫描电镜观察湿热处理后的复合材料界面结合状态。结果表明:三种国产T800级碳纤维表面物理形貌相同,而表面化学结构存在一定差异;三种碳纤维环氧复合材料的"饱和"吸湿周期相同,约为54 d,95%饱和吸湿周期也相同,约为30 d;而饱和吸湿量存在明显差异,其中3号纤维上浆剂中由于羟基含量最高,导致其环氧树脂基复合材料吸湿率最高,在高温高湿作用下,层间剪切强度下降最为明显。     

PBO-C/ E 复合材料的界面及压力容器性能

研究了PBO纤维与T700碳纤维混杂复合材料的界面性能和压力容器性能。采用层间剪切强度测试和吸水率测试研究了不同混杂比对混杂复合材料界面粘接性能和吸水性能的影响。研制了PBO纤维与T700碳纤维混杂复合材料Ф150 mm压力容器,对容器的水压爆破性能和轴压承载性能进行了测试。结果表明:混杂复合材料的层间剪切强度随着混杂比增大逐渐升高,当T700碳纤维含量较低时,混杂复合材料界面粘接性能提高并不明显;混杂复合材料的吸水率介于PBO纤维和T700碳纤维复合材料之间,近似符合"混合定律",界面数对混杂复合材料吸水性影响较大;混杂复合材料Ф150 mm容器的PV/W随着混杂比增大逐渐降低,混杂工艺能够使PBO纤维复合材料容器的轴压承载性能提高31%。     

国产T700级碳纤维表面特性对BMI复合材料湿热性能的影响

分别采用SEM、AFM、XPS和TGA对两种国产T700碳纤维和国外东丽T700S碳纤维的表面形貌、表面化学特性以及碳纤维上浆剂耐热性进行了表征,通过纤维性能转化率的计算,考查了T700碳纤维/双马复合材料的界面粘结性能,并通过T700碳纤维/双马复合材料湿热条件处理前后的0o拉伸强度和层间剪切强度测试对复合材料的耐湿热性能进行了表征。研究发现T700碳纤维的表面粗糙度和活性官能团含量等表面特性对双马复合材料的界面粘结性能具有显著影响,进而在一定程度上影响着双马复合材料的耐湿热性能。研究结果表明:国产T700碳纤维/双马树脂复合材料的耐湿热性优于国外同类T700碳纤维双马复合材料。     

碳纤维表面性质分析及其对复合材料界面性能的影响

研究了T300-3K和T300-6K碳纤维的表面物理和化学特性,并对其与环氧树脂复合材料体系的界面性能进行了测试与分析。结果表明T300-6K碳纤维表面的O/C比和活性碳原子比例均高于T300-3K碳纤维。T300-6K碳纤维表面沟槽深度、宽度和长度均大于T300-3K碳纤维但表面粗糙度较小。T300-6K碳纤维环氧树脂体系的界面剪切强度与相应的T300-3K体系基本相当。     

聚甲基苯基硅氧烷涂层对高硅氧纤维/磷酸盐性能的影响

采用涂覆有机-无机杂化涂层的方法对高硅氧纤维(HSGF)进行表面改性.涂覆前后的纤维表面特性采用XPS和AFM进行表征;采用浸泡法腐蚀实验研究了涂层对HSGF耐酸腐蚀能力的影响;通过测试界面剪切强度(IFSS)评价了复合材料的界面粘结性能,并测试了涂层前后HSGF及其增强磷酸盐基复合材料力学性能.结果表明,聚甲基苯基硅氧烷(PSI)涂层可有效地保护高硅氧纤维,阻碍磷酸盐基体/高硅氧纤维之间的界面反应,降低磷酸对其的腐蚀速率,调节界面结合程度,使复合材料弯曲强度比未处理试样提高32%.     

T700级碳纤维/QY9611双马树脂复合材料界面性能研究

采用SEM和AFM对国产T700级碳纤维和东丽T700S碳纤维的表面形貌进行了表征,利用热熔法预浸料制备了T700级碳纤维/QY9611复合材料,并考察了复合材料的界面性能。研究结果表明,碳纤维的形貌对复合材料界面性能有显著影响,国产T700级碳纤维/QY9611复合材料的室温界面性能优于T700S/QY9611复合材料,且湿热处理后的界面结合强度仍高于T700S/QY9611复合材料,说明国产碳纤维T700级碳纤维/QY9611复合材料已具备良好的耐湿热性能。     

异形截面碳纤维及其对复合材料力学性能的影响

介绍一种异形截面碳纤维,并对其环氧复合材料的力学性能进行研究.对该碳纤维表面特性和本体结构及碳纤维/环氧复合材料的常规力学性能、破坏模式和纤维堆砌方式进行初步分析,并与T300碳纤维及其环氧复合材料进行比较.结果表明,与T300相比该异形截面碳纤维的截面为"腰"形,表面光滑,化学活性差,石墨化程度低,但其比表面积大,对液体的浸润性能好;异形截面碳纤维/环氧复合材料的力学性能达到或者接近T300环氧复合材料;异形截面碳纤维与树脂基体的界面结合较弱,纤维在材料中的分布均匀性差.     

碳纤维表面处理对碳-酚醛复合材料界面粘接的影响

本文研究了液相氧化、电化学氧化和电化学聚合等表面处理对碳纤维的束丝强度和碳-酚醛复合材料的层间剪切强度的影响,并利用纤维的表面能和试件断口的扫描电镜形貌分析讨论了碳-酚醛复合材料中纤维与树脂界面的粘接机理。     

碳纤维增强环氧Z-pin拔脱性能

 为了研究Z-pin层间增强的影响因素,采用Z-pin-浇注体拔脱实验分析了Z-pin埋入深度、直径和固化度对其拔脱性能的影响。采用Z-pin-浇注体与层合板的对比拔脱实验验证了Z-pin-浇注体拔脱实验表征Z-pin与被增强体的结合状态的可行性。Z-pin-浇注体拔脱实验结果表明,Z-pin的最大拔脱力随着埋入深度的增加而非线性增加;直径对拔脱力的影响主要体现在总接触面积的改变,最大拔脱力与Z-pin直径呈线性关系,其中直径0.7 mm Z-pin的最大拔脱力是直径0.3 mm Z-pin的2.35倍;控制Z-pin固化度,利用其与基体的共固化效应可以大幅地提高界面剪切强度,失效模式从界面脱粘转变成界面脱粘和基体树脂的内聚破坏的混合模式,最大拔脱力最高可以提高17倍。     

Electrochemical capacitors utilizing low surface area carbon fiber

The performance of electrochemical capacitors containing different commercial carbon fibers is reviewed. High specific capacitance (ca. 300 F/g) is obtained with low surface area carbon fiber (<1 m²/g) using a proprietary activation process. Capacitance is primarily achieved through pseudocapacitance resulting from surface functional groups. The performance of these devices is dependent on the type of carbon fiber, its carbon content, aspect ratio and microstructure. These devices can achieve high cycle life (ca. 100 k) without significant loss in capacitance     

碳纤维复合材料电导率改性与抗雷击性能

传统碳纤维复合材料(CFRP)中的树脂基体电阻率大,在强电流下会产生大量阻性热从而造成损伤,增强其电导率能够有效提高CFRP的雷击防护性能。在树脂基体中添加银粉颗粒进行电导率改性,通过有限元仿真分析银粉含量对雷击防护性能影响,确定CFRP基体中的最佳银粉含量为38%。沿厚度方向电导率的改性效果最佳,提高了217.3倍。使用不同峰值的D波形雷电流对改性CFRP层压板进行模拟雷击实验,并对未改性以及表面铺设铜网的层压板进行相同能级的对照实验,通过目视损伤观察和透视超声扫描比较损伤特征和损伤面积,评估基体改性CFRP的抗雷击性能。结果表明:基体改性可以阻碍表面铺层被击穿,降低纤维断裂翘曲以及分层损伤;峰值电流20 kA、40 kA和60 kA下,铜网防护能使雷击透视损伤面积分别下降100%、86.61%和37.46%,基体改性整体防护能使雷击透视损伤面积分别下降84.02%、81.03%和40.91%。     

Effects of fiber orientation on tool wear evolution and wear mechanism when cutting carbon fiber reinforced plastics

The aim of the present paper is to reveal the influence of different fiber orientations on the tool wear evolution and wear mechanism. Side-milling experiments with large-diameter milling tools are conducted. A finite element (FE) cutting model of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) is established to get insight into the cutting stress status at different wear stages. The results show that different fiber orientations bring about distinct differences in the extent, profile and mechanism of tool wear. Severer wear occurs when cutting 45° and 90° plies, followed by 0°, correspondingly, the least wear is obtained when θ = 135° (θ represents the orientation of fibers). Moreover, the worn profiles of cutting tools when θ = 0° and 45° are waterfall edge, while round edge occurs when θ = 135° and a combined shape of waterfall and round edge is obtained when θ = 90°. The wear mechanisms under different fiber orientations are strongly dependent on the cutting stress distributions. The evolution of tool wear profile is basically consistent with the stress distribution on the tool surface at different wear stages, and the extent of tool wear is determined by the magnitude of stress on the tool surface. Besides, the worn edges produce an actual negative clearance angle, which decreases the actual cutting thickness and leads to compressing and bending failure of fibers beneath the cutting region as well as low surface qualities.     

Compressive properties of homemade carbon fiber composite laminates with delamination defect

Large numbers of aircraft composite structures were researched, and the distribution of delamination sizes and though thickness positions in the composite laminates were investigated. An experiment was conducted to probe into the effect of delamination sizes and through thickness positions on the compressive strengths of laminates with single embedded circular delamination with the most dangerous delamination sizes and positions defined from the distribution. A shell model was established for compressive strength prediction, and the virtual crack closure technique (VCCT) was employed for the strain energy release rate calculation. The finite element (FE) prediction was in good agreement with the experimental measurements, for the predicted compressive strengths stood within 10% error of experimental results. It was observed that the compressive strength was highly effected by the delamination size, while the though thickness position of delamination did not have significant effect on the compressive strength.      

碳布叠层穿刺复合材料多尺度传热特性研究

为了深入认识复合材料的多尺度传热特性,预测复合材料宏观热物性参数,基于通用单胞思想和多尺度传热特性分析,建立了一种有效预测碳布叠层穿刺复合材料等效热物性参数的方法。基于电镜扫描分析了纤维束和编织结构的特征,采用通用单胞思想,建立了介/细观传热分析模型,通过数值仿真进行了一系列的多尺度传热特性分析,譬如:纤维体积分数对纤维束结构传热特性的影响、穿刺纤维束大小对编织结构传热特性的影响分析,在此基础上,建立了胞体模板扩展,初步将介/细观结构研究规律应用到宏观结构热物性预测,并进行多层胞体传热特性分析。验证实验表明:等效热物性预测值与实验值吻合较好,方法有效,为深入理解认识碳布叠层穿刺复合材料的介/细观传热特性提供了有效的分析手段。     

碳纤维增强点阵夹芯结构的屈曲强度

考虑到点阵芯层的结构形式及杆单元以拉压为主的变形模式,基于连续介质等效理论,提出了一种全新的位移场假设,并以此编写了计算点阵夹芯复合材料屈曲强度的有限元程序.通过与不同试样的压缩试验的比较,对碳纤维增强点阵夹芯结构的屈曲行为进行了分析,并且验证了程序的有效性.同时,采用程序,讨论了点阵参数(包括杆单元长度、半径及倾斜角)对点阵夹芯复合材料结构屈曲强度的影响规律.结果表明:芯层体积分数相同的情况下,金字塔型和四面体型点阵夹芯结构的屈曲强度相差不大,后者略高.所得结论对点阵夹芯复合材料结构设计具有一定的指导意义.      

碳纤维增强热固性复合材料-钛合金激光连接接头性能分析

碳纤维增强热固性复合材料(CFRTS)和TC4钛合金具有较高的比强度和比刚性，轻量化效果十分明显，在航空航天、新能源汽车制造中应用广泛。为实现CFRTS与TC4钛合金的高强度连接，引入“激光清洗+树脂填充”的界面复合调控工艺。在CFRTS和TC4钛合金激光焊接之前，首先，采用脉冲光纤激光器对CFRTS表面进行激光清洗处理，去除表层的环氧树脂，使CFRTS中的碳纤维裸露出来；其次，利用脉冲光纤激光器对钛合金表面进行微织构处理，提升焊接时熔融树脂与TC4钛合金的接触面积并形成“咬合”结构；最后，在清洗后的CFRTS和钛合金接触面之间添加合适厚度的聚酰胺(PA)树脂，进行激光辅助焊接。研究了激光清洗工艺对接头连接强度的影响，对比分析了不同激光清洗工艺参数下CFRTS的表面形貌、PA树脂填充情况、接头断口形貌，结果表明，激光清洗CFRTS可以显著增强CFRTS-TC4钛合金接头的强度，最大拉伸强度可达23.77 MPa。