纤维表面涂层对碳纤维/聚芳基乙炔性能的影响

为提高碳纤维/聚芳基乙炔(CF/PAA)复合材料的性能,采用不同种类的涂层(环氧,硅氧烷和倍半硅氧烷)对碳纤维(CF)进行表面改性。通过复合材料的短梁弯曲和热氧老化试验表征不同涂层的改性效果。层间剪切强度(ILSS)结果表明,倍半硅氧烷涂层具有最好的处理效果。热氧老化测试结果表明,倍半硅氧烷涂层适用于耐热树脂体系。这种涂层可以通过改变官能团适应不同树脂体系复合材料的界面改性。     

Cf/PAA复合材料烧蚀“碳层”的微观结构

主要对碳纤维/聚芳基乙炔烧蚀后形成的表面碳化层的微观结构进行了分析,结果表明:聚芳基乙炔形成的树脂碳结构致密,石墨化程度较高,但开裂比较明显,碳纤维烧蚀均匀,端头呈现尖笋形,而在树脂与纤维界面上则存在较大空隙.     

新型杂化浆料的合成及其对碳纤维／异构聚酰亚胺复合材料性能的影响

通过合成新型改性剂--(γ-苯乙炔亚胺基)丙基三乙氧基硅烷(PEIPTES)实现对SiO2前驱体的原位改性,制备新型异构聚酰亚胺/SiO2杂化浆料,利用元素分析、FT-IR、热重分析等对PEIPTES的结构和性能以及新型杂化浆料的结构进行表征与分析.结果表明,杂化浆料中有机相与无机相之间形成化学键.利用该杂化浆料对碳纤维表面进行改性.AFM分析表明,改性后碳纤维表面覆盖一层有纳米级颗粒状突起的物质,增加表面粗糙度,有利于改善复合材料界面性能.复合材料力学性能研究表明,杂化浆料可提高碳纤维/异构聚酰亚胺复合材料的层间剪切强度,当SiO2含量为5wt%时层间剪切强度达到最大值,此时冲击性能和界面耐热性能均有显著提高.     

温度条件对碳纤维上浆剂与双马树脂反应及其复合材料界面粘结的影响

为了研究工艺温度对复合材料界面的调控作用,设计采用三阶段固化工艺(即扩散、固化和后固化),考察了不同温度制度下3种碳纤维/双马树脂(BMI)复合材料界面粘结性能的变化规律。采用原子力显微镜(AFM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)深入分析了上浆剂对纤维表面粗糙度和化学特性的影响,研究了上浆剂的反应活性及其与双马树脂的反应性,采用微珠脱粘方法测试了碳纤维/树脂的界面剪切强度(IFSSs)。结果表明,200℃处理2h后3种碳纤维上浆剂均发生部分反应,并且170℃,2h后上浆剂均与双马树脂发生化学反应。对比不同温度条件可以发现后固化阶段对碳纤维/双马体系的界面剪切强度影响显著,未经后固化的复合材料界面性能最低;110℃和140℃恒温扩散阶段对碳纤维/双马体系的界面剪切强度的影响不明显。同种温度条件下,CF1和CF3上浆剂与双马树脂的反应程度高于CF2,相应的CF1和CF3与双马树脂的界面剪切强度较高,表明上浆剂与双马树脂间的化学反应程度是影响其界面粘结性能的主要因素。该研究结果对我国碳纤维上浆剂的研制具有参考价值。     

碳纤维复合材料界面性能研究

针对碳纤维复合材料中普遍存在的界面问题，首先研究了碳纤维表面改性对其复合材料界面性能的影响。采用电化学方法和γ射线辐照技术对碳纤维进行表面改性处理，通过处理前后纤维性质及其复合材料界面性能的分析，阐明了纤维表面改性对复合材料界面性能影响规律。同时，研究了电子束固化技术中存在的弱界面问题，通过对电子束固化机理的研究发现增强体表面化学成分对固化过程影响较大，合理的偶联剂选择可以使电子束固化复合材料界面粘合性能得到提高。此外，研究了碳纤维超声连续处理，通过对树脂基体和碳纤维表面性质的分析，说明超声处理可有效地改善复合材料界面性能。     

碳纳米管改性对碳/ 环氧复合材料层间性能的影响

研究了在碳纤维织物上生长碳纳米管的改性对环氧树脂基复合材料层间性能的影响,对比了有无碳纳米管的碳纤维复合材料的层间剪切和弯曲性能,并采用碳纤维表面结合碳纳米管膜的方法研究了碳纳米管对碳/环氧复合材料层间性能的影响。结果表明,由于生长的碳纳米管长度过长(10μm)、末端无序排列为笼状,树脂无法进入碳纳米管内部,碳纳米管无法发挥增强作用,同时由于碳纳米管过长,复合材料内部缺陷增多,使得四种生长碳纳米管的碳纤维复合材料层间性能均有下降;而碳纳米管膜与碳纤维和树脂基体结合较好,使得复合材料层间剪切强度提高12%。     

新型耐烧蚀材料研究

研究了碳布增强新型耐烧蚀树脂聚芳基乙炔（PAA）材料的烧蚀性能和力学性能，并与钡酚醛和硼酚醛进行比较。结果表明，PAA树脂的残碳率高于钡酚醛和硼酚醛树脂，C/PAA材料烧蚀性能优异，氧一乙炔线烧蚀率为0.012mm/s、质量烧蚀率为0.0166g/s，但其力学性能较差。     

碳纤维复合材料壳体用环氧改性有机硅涂料的研制

研制了一种室温固化环氧改性有机硅树脂涂料。研究结果显示,涂料热导率为0.266W/(m.K),比热容为1.993kJ/kg.K;拉伸强度为3.15MPa;断裂伸长率为30%;并具有较好的耐烧蚀性能以及良好的附着力;该涂层短时可耐450℃的高温,并且与碳纤维/环氧复合材料之间具有良好的界面相容性;涂料采用丙酮和二甲苯作为混合溶剂,可用于碳纤维/环氧复合材料壳体表面的外热防护。     

酚醛/环氧过渡层固化特性及复合材料性能

为满足固体火箭发动机复合材料壳体的结构功能一体化要求,研究了两种树脂的过渡层配方、工艺及性能,重点研究了在酚醛树脂B30、环氧树脂TDE-85和固化剂甲基六氢苯酐（MHHPA）体系中,三者不同质量分数下的性能特点,采用了数显旋转黏度计和数显恒温水浴锅对树脂黏度测量,使用差示扫描量热仪（DSC）对不同质量分数的树脂进行热分析,求解多相体系反应机理的动力学参数,验证过渡层树脂固化工艺及性能,并与未使用过渡层的树脂配方进行性能对比。结果表明:过渡层体系中,最先反应的是B30和固化剂MHHPA,最后是B30的自固化;环氧树脂TDE-85的力学性能与酚醛树脂B30耐烧蚀性能满足结构层与功能层性能需求;与未使用过渡层的树脂相比,使用过渡层的树脂耐烧蚀性变化不大,但是弯曲强度提高了67.8%,拉伸强度提高了56.1%;与未使用过渡层的复合材料相比,使用过渡层的复合材料层间剪切强度提高了94.9%,但耐烧蚀性变化不大。综上所述,该过渡层可以满足固体火箭发动机复合材料壳体的结构功能一体化要求。      

可溶性改性双马来酰亚胺树脂基体的研究

在双马来酰亚胺/二元胺/改性剂A预聚体系中加入环氧丙烯酸树脂,制备了一种可用作耐热复合材料基体的改性双马来酰亚胺树脂。用DSC研究了该树脂基体的反应特性,并制定出了合适的固化工艺参数:改性树脂基体经140℃/1 h 160℃/1 h 180℃/2 h初固化,于220℃/8 h后固化处理,其热变形温度(HDT)为245℃;该树脂与玻璃纤维制备的单向复合材料层压板的室温拉伸强度、弯曲强度和层间剪切强度分别为1 030 MPa、1 600 MPa和92．1 MPa;180℃下测得弯曲强度保持率为67．8%,层间剪切强度保持率为63．2%,用DMA法测得T_g为273℃。     

碳纤维复合材料短梁剪切疲劳特性

研究了碳纤维增强双马来酰亚胺复合材料的层间剪切静态与疲劳加载性质,分析了不同基体、不同铺层界面对层剪性质的影响。给出了层剪疲劳加载的S-N曲线;讨论了层间剪切损伤和增强机理,观察了微观特征。与碳/环氧复合材料相比,双马来酰亚胺基体复合材料在碳纤维和基体之间粘接良好,从而改进了纤维抗疲劳裂纹扩展的能力。     

硅氮烷改性含硅芳炔树脂及其复合材料的性能

采用胺解法合成了二(3-乙炔基苯胺) -二甲基硅烷(SZ),并与含硅芳炔(PSA)树脂熔融共混制

备了PSA/ SZ。利用一系列测试手段考察了PSA/ SZ 树脂的流变行为、固化反应、热稳定性、弯曲、介电性能以

及石英布增强PSA/ SZ 复合材料的力学性能。结果表明,硅氮烷SZ 的加入有效降低了PSA/ SZ 树脂的黏度,

PSA/ SZ 浇铸体的弯曲强度提高了62. 7%,石英纤维增强PSA/ SZ 复合材料的弯曲和层剪强度分别提高了

18． 7%和60. 4%。

     

硼酸铝晶须增强氰酸酯树脂/玻璃布复合材料的研究

为了改善氰酸酯树脂基复合材料的层间性能,加入硼酸铝(AlBw)晶须制得晶须/氰酸酯树脂/玻璃布复合材料。研究了晶须对氰酸酯树脂的反应活性、工艺性的影响以及对复合材料力学性能的改善效果,并分析了复合材料断裂的SEM照片。凝胶时间和差示扫描量热(DSC)分析表明,晶须的加入对树脂体系反应性影响较小。晶须的加入增大了氰酸酯树脂的粘度,但增加幅度不大,当晶须加入质量为20%时树脂粘度仍小于8Pa·s,具有良好的工艺性。随晶须加入量的增加,复合材料的层间剪切强度(ILSS)和弯曲强度增大,晶须质量占10%时,4%硼酸酯处理的晶须使ILSS和弯曲强度分别提高45%和32%。晶须的加入使复合材料耐湿热性提高,水煮100h后,吸水率降为1.09%,力学强度保持率高于85%。     

Interfacial Properties Modification of Carbon Fiber/ Polyarylacetylene Composites

This work was dedicated to performing surface oxidation and coating treatments on carbon fibers (CF) and investigating the changes of fiber surface properties after these treatments, including surface composition, relative volume of functional groups, and sur- face topography with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and atom force microscopy (AFM) technology. The results show that, after oxidation treatments, interfacial properties between CF and non-polar polyarylacetylene (PAA) resin are remarkably modified by removing weak surface layers and increasing fiber surface roughness. Coating treatment by high char phenolic resin solution after oxida- tion makes interface of CF/PAA composites to be upgraded and the interfacial properties further bettered.     

胶含量对CF/BF复合材料性能的影响

制备了碳纤维/玄武岩纤维(CF/BF)增强酚醛树脂复合材料,研究了复合材料层合板不同胶含量对其层间剪切强度、热传导和耐烧蚀性能的影响。结果表明:CF/BF复合材料,在胶的体积分数为35%时,复合材料经纬向层间剪切强度达到最大值21和20 MPa;在胶的体积分数为39.5%处,热导率和线烧蚀率出现最低值0.366 W/(m.K)和87μm/s。CF/BF混杂纤维复合材料性能符合混杂纤维复合材料性能混杂效应规律。     

用碳纤维的电沉积处理来提高其增强塑料的层间剪切强度

 用电沉积方法将含羧基的共聚物沉积于碳纤维表面后,可以使单向碳纤维增强环氧的层间剪切强度从未处理时的650kg/cm~2提高到1000kg/cm~2以上,用扫描电子显微镜观察剪切断口,得到与强度数据一致的破坏模式,表明电沉积层的界面粘合作用提高了纤维-树脂基体界面传递应力的能力,改变了界面附近裂缝的形成和扩展。已有数据还表明,此法在提高层间剪切强度的同时,并不削弱其它力学性能。用红外光谱等实验初步证实了电沉积过程的负离子——自由基机理,观测到沉积层在纤维表面的附着情况。     

碳纤维织物/聚苯硫醚复合材料工艺研究

研究了碳纤维织物增强交联型聚苯硫醚复合材料的粉末成型工艺。以不同工艺条件成型复合材料层板,测试弯曲及动态力学性能,并对纤维-树脂渗透及纤维-基体界面粘结情况进行显微观察。确定了获得高性能复合材料较理想的工艺参数。     

Z-pin增强树脂基复合材料单搭接接头抗冲击性能

为了研究Z-pin增强树脂基复合材料接头的抗冲击性能,制备了Z-pin增强单搭接接头冲击试样。对比不同树脂体系Z-pin/层合板界面裂纹扩展,分别通过Z-pin拔脱试验和接头剪切试验研究Z-pin冲击后拔脱强度和单搭接接头冲击后剪切强度;结合有限元模拟和超声C扫描研究搭接面分层损伤情况。结果表明,相同冲击能量下,环氧Z-pin/环氧层合板界面抗冲击性更强,冲击能量越大,裂纹扩展越显著;Z-pin增强树脂基复合材料显著减小分层损伤面积,提高冲击后剪切强度,体积分数为1.5%、直径为0.5mm的Z-pin增强层合板分层损伤面积仅为40%,冲击后剪切强度的下降率仅为24.89%。随着Z-pin体积分数增加,搭接面损伤面积逐渐减小,冲击后剪切强度先增加后降低;随着Z-pin直径增加,层间损伤面积增加,冲击后剪切强度逐渐降低。Z-pin增强接头分层损伤模型模拟结果与试验结果基本吻合。      

影响碳化硅基复合材料机械性能的工艺因素

介绍了纤维及预制体成型、高温处理、界面技术、基体致密化及后处理等工艺因素对碳化硅基复合材料机械性能的影响。基体密化工艺是影响复膈材料性能最为主要的因素,化学气相渗透工艺制备的碳化硅基复合材料的强度和韧性明显高于其它工艺制备的复合材料,预制体高温处理可提高纤维在基体复合材料及使用过程中的高温稳定性,减少纤维／基体界面的热应力,但高温处理会引起纤维强度大幅度下降,在高温处理前先进行中间相涂层处理,不仅