酚醛树脂炭的合成及力学性能研究

为了表征多孔炭泡沫材料基体的结构与力学性能,采用碱催化法制备热固性酚醛树脂,经固化、高温炭化处理合成多孔炭泡沫材料的基体——酚醛树脂炭。研究酚醛树脂炭的微观结构、压缩强度及压缩断裂韧性。结果表明:酚醛树脂炭结构以树脂炭基体、微孔和微裂纹为主,其碳元素以sp3杂化的非晶炭形式存在;压缩强度为8.58 MPa,压缩断裂特征为脆性断裂模式;酚醛树脂炭的压缩断裂韧性较差,断裂过程中吸收的总能量为0.135 MJ/m3。     

微球型炭泡沫复合材料力学性能的研究

为表征微球含量对碳泡沫复合材料的影响,以自制热固性酚醛树脂与不同体积分数的酚醛空心微球配比混合,采用模压成型法,制备酚醛泡沫材料;再将其在Ar气保护下高温碳化处理,得到微球型碳泡沫复合材料;研究碳泡沫复合材料的微观结构及空心微球的体积分数对碳泡沫的压缩性能、断裂韧性的影响。结果表明：随着空心微球含量的增加,复合材料的压缩断裂特征由梯度式脆性断裂模式向假塑性断裂模式转变,其断裂韧性也得到了明显改善;空心微球含量为80v01．％的碳泡沫韧性最佳;适当提高空心微球含量,可改善碳泡沫的比压缩强度,空心微球含量为70v01．％的碳泡沫的比压缩强度可达43．32MPa·cm3·g-1。     

碳纤维添加碳泡沫的电磁屏蔽效能及力学性能研究

为了制备高效轻质兼备优异的电磁屏蔽性能及力学性能的复合材料,本研究以酚醛树脂为基体,碳纤维为填料,经高温碳化制得了碳纤维添加酚醛树脂基碳泡沫。探究了碳纤维含量对复合材料的结构、电磁屏蔽效能及力学性能的影响。结果表明,碳纤维可以有效改善碳泡沫的泡孔结构,当碳纤维含量为3wt%时,泡沫基体的泡孔达到小且均匀的状态,平均泡孔直径为150μm,同时碳纤维可以有效提高碳泡沫的电磁屏蔽效能,当碳纤维含量为3wt%时,复合材料的压缩强度和弯曲强度分别达到了4.41和3.85 MPa,比纯碳泡沫分别提高了60.3%和71.8%。当碳纤维含量为5wt%时,碳泡沫对频率为8~12 GHz的电磁波的平均屏蔽效能达到35 d B。     

三维夹层结构复合材料的制备及性能

采用酚醛树脂、氰酸酯树脂分别与三维中空芯层结构材料进行复合,制备不同树脂基三维中空芯层结构复合材料,对不同基体复合材料的力学及介电性能进行研究。结果表明,三维中空芯层结构与树脂复合工艺性良好,压缩强度达到5.0和3.5 MPa,与传统的蜂窝、泡沫材料相比,复合材料的力学性能得到较大幅度提高;介电常数为1.5和1.6,且在不同频率下显示优异的稳定性。     

高硅氧纤维/酚醛泡沫复合材料的结构与性能

以高硅氧短切纤维毡为增强体,分别以酚醛树脂和酚醛泡沫为基体,制备了高硅氧/酚醛与高硅氧/酚醛泡沫两种复合材料,采用红外光谱分析、扫描电镜分析、热失重分析等方法对其结构和性能进行了表征。结果表明,两种材料具有相似的基体化学结构和相近的固化反应温度,均具有良好的耐热性能,性能测试结果表明,复合材料中基体由酚醛树脂变成酚醛泡沫后,力学性能明显降低,同时,密度由1.65 g/cm3降低至0.5 g/cm3,热导率由0.5 W/(m·K)降低至0.09 W/(m·K)。     

一种含硅芳炔树脂泡沫的制备及性能

以含硅芳炔树脂为基体,偶氮二甲酰胺(AC)为发泡剂,脲素为助发泡剂,通过树脂在固化的同时进行发泡,制备出工艺简单、结构基本可控的泡沫材料。研究结果表明,当泡沫材料密度约为0.578 g/cm~3时,泡孔直径约300μm,压缩强度为6.32 MPa,热导率为0.112 W/(m·K),介电常数为1.7左右。     

纳米碳黑对酚醛树脂力学性能的影响

以纳米碳黑作为增强材料制备纳米复合材料，研究了不同的纳米碳黑含量对纳米复合材料力学性能的影响，采用扫描电镜观察复合材料断裂界面、X射线衍射表征复合材料碳化后的结构。研究结果表明，纳米碳黑粒子使酚醛树脂的弯曲强度、压缩强度得以提高。     

酚醛树脂基泡沫碳材料的烧蚀与隔热性能

为考察纳米孔径的酚醛树脂基泡沫碳材料的烧蚀与隔热性能,以酚醛树脂为碳源,环戊烷为发泡剂,吐温80为表面活性剂,对甲苯磺酸为固化剂,采用发泡固化碳化工艺制备了低密度泡沫碳材料。所制备的泡沫碳材料密度为0. 3 g/cm^3,压缩强度达到了11. 7 MPa。采用LFA457激光导热仪考察了泡沫碳材料在不同温度下(25、200、400、600℃)的导热性能,25℃下热导率为0. 141 W/(m·K),600℃下热导率为0. 344 W/(m·K);通过氧乙炔试验(30 s/60 s)对泡沫碳材料与C/C复合材料在同样的气流条件下隔热性能进行了比较,在材料正面烧蚀峰值温度泡沫碳材料比C/C复合材料高出约400℃的情况下,背面峰值温度比C/C复合材料仍低出150℃;通过氧乙炔试验考察泡沫碳材料的抗烧蚀性能,氧乙炔烧蚀60 s的线烧蚀率为0. 031 mm/s。试验结果证明低密度的泡沫碳材料同时具备优异的隔热与高温抗烧蚀性能。     

适合航空航天用SiCp/Al复合材料的性能

采用粉末冶金法制备了Φ300 mm的15%(体积分数)SiCp/A l复合材料坯锭,研究了热挤压、锻造后的材料力学性能以及断裂特点。结果表明,该材料的弹性模量在97 GPa、拉伸强度保持在550 MPa的水平下,延伸率仍高达7%左右,旋转弯曲疲劳强度在250~290 MPa范围内,断裂韧性为25 MPa.m1/2,冲击韧性为62.5 kJ/m2。与棒材挤压态相比,T4态复合材料拉伸强度和屈服强度分别提高66.7%和100%,但塑性保持在同一水平。断口观察表明,挤压态复合材料以基体韧性断裂为主要形式,而T4态复合材料除了基体韧性断裂外,还存在SiC颗粒断裂现象。挤压棒材锻造后有利于提高材料的横向强度。     

聚酰胺改性酚醛树脂及泡沫性能

为了改善酚醛泡沫的韧性,采用聚酰胺对酚醛树脂进行了改性,并通过化学发泡法制备了不同含量聚酰胺改性酚醛泡沫,借助DSC曲线、凝胶化时间、弯曲强度、SEM照片等表征方法研究了聚酰胺对酚醛树脂及泡沫性能的影响.结果表明:聚酰胺与酚醛树脂发生了共固化反应;酚醛树脂的反应活性随着聚酰胺含量的增加逐渐降低;加入的聚酰胺有效的改善了酚醛泡沫的韧性;酚醛泡沫弯曲强度随着聚酰胺含量的增加呈现先增加后减小的趋势,当聚酰胺含量为10wt％时,弯曲强度达到最大,比未改性的提高了约81％;酚醛泡沫SEM照片显示少量聚酰胺可以改善泡沫的泡孔结构,当聚酰胺加入量为10wt％时,酚醛泡沫泡孔结构最好,泡孔大小均匀,平均直径约为400μm.     

三维网络碳化硅多孔陶瓷的制备

以中间相沥青添加55%(质量分数,下同)的Si粉混合物为原料,制备了含Si的炭泡沫模板。在高温反应烧结炉中,氩气气氛下1500℃保温1～6h,结合反应烧结工艺制备了碳化硅多孔陶瓷。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射分析仪(XRD)对碳化硅多孔陶瓷的微观形貌、物相组成进行了观察,并对熔融Si与C的反应机理进行了探讨。结果表明:碳化硅多孔陶瓷的微观结构与炭泡沫模板的微观结构一致,烧结温度1500℃下,随着保温时间的延长,多孔陶瓷的弯曲强度先增大后减小,而孔隙率先减小后增大;在保温4h的条件下制备的碳化硅多孔陶瓷主要由β-SiC相组成,最大弯曲强度为26.2MPa,对应的孔隙率为45%。内部熔融的Si与外部熔融的Si同时与C反应生成SiC,最后两者结合在一起形成致密的SiC多孔陶瓷。     

预制体结构对炭/炭复合材料氧化行为的影响

以短纤维树脂模压、炭布叠层和针刺毡为预制体,采用CVD方法制备了3种C/C复合材料,并研究了其氧化行为,计算了氧化反应动力学数据。结果表明在氧化失重率小于60％时,其氧化失重率与氧化时间呈线性关系,而且3种样品在700℃前后具有不同的表观活化能,由此导致不同的控制机制:700℃以下为动力学控制区,700℃以上为扩散控制区。C/C复合材料的氧化速率与预制体结构有关,这主要是因为不同的预制体结构导致形成了不同的热解炭组织,比较起来炭布/CVD炭复合材料的抗氧化性能最差,短纤维树脂模压/CVD和针刺毡/CVD炭复合材料具有较好的抗氧化性能。3种材料的氧化过程基本一致,都是首先从材料内空隙缺陷处开始氧化,伴随着炭纤维和基体炭同时氧化,炭纤维变得越来越细,最后基体炭只剩下很薄的一层,有的基体炭甚至已经氧化脱落而只剩下炭纤维裸露着,或者在炭纤维周围分布着极不均匀的多孔状热解炭。     

Al2O3(YAG)/LaPO4层状陶瓷复合材料研究

选择Al2O3(YAG)作为基体片层材料,LaPO4作为界面层材料,采用凝胶注模成型技术制备出基体层材料的坯片,然后在基体层坯片上采用浸渍或喷涂工艺附着界面层材料,最后将坯片叠置于模具中热压烧结.制备的陶瓷复合材料微观结构均匀,基体片层厚度为110-150μm,界面层厚度为10～30μm,实测层厚比为11.重点研究工艺参数及界面层成分对层状陶瓷复合材料室温性能的影响.结果表明,氧化物基层状陶瓷复合材料的抗弯强度比基体材料略有下降,但室温断裂韧性达到了13.52MPa·m1/2,是基体材料断裂韧性的3倍.对比氧化物基层状陶瓷复合材料与基体材料在断裂过程中裂纹扩展路径的差异.     

X-cor夹层结构压缩性能研究

X-cor结构是一种采用拉挤复合材料细杆（Pin）以三维网架结构形式增强泡沫的新型夹层结构材料,该夹层结构与传统泡沫夹层结构和蜂窝夹层结构相比,具有很高的比强度和比刚度。为了研究Pin植入角、Pin直径对X-cor夹层结构压缩强度和压缩模量的影响,压缩性能试样采用Rohacell 31泡沫作为芯材,Pin采用0.5 mm和0.7 mm两种不同直径的T300/FW 63碳/环氧拉挤细杆,并将实验结果与不含Pin增强的泡沫夹层结构进行了对比。研究结果表明,Pin的存在极大提高了X-cor夹层结构的压缩强度、压缩模量,同时密度仅小幅度提升;Pin对X-cor夹层结构压缩性能的增强效率随Pin植入角的减小而提高,采用小直径的Pin更利于提高X-cor夹层结构压缩性能。     

中间相沥青基泡沫炭的制备及性能

以日本三菱气体化学公司生产的AR中间相沥青为原料,放入合适的不锈钢模具中,在高压釜中加热、加压。利用中间相沥青在热分解过程中产生的轻组分挥发形成泡沫,在450℃制得了泡沫炭生料,再经炭化和石墨化处理后获得了由孔壁和韧带组成的三维网状结构的石墨泡沫炭。主要研究了升温速率和压力对泡沫炭孔结构的影响,考察了材料的导热性能。结果表明,升温速率以1℃/m in时泡沫炭孔的连通性比较好,压力越大孔径越小;经炭化后泡沫炭孔径略有收缩,孔壁结晶取向度比较完善;2 400℃石墨化后孔壁的结晶取向度得到了加强,形成了高度取向的石墨化结构,密度为0.3 g/cm3,热导率达到了32 W/(m.K)。     

环状针刺C/C复合材料的压缩性能及破坏机理

以碳纤维针刺毡为预制体,采用CVI致密工艺制作准三维C/C薄壁回转体,具有各向异性的力学性能.本文主要对三个主方向的材料压缩性能及破坏机理进行了研究讨论.结果表明:轴向压缩与环向压缩性能相似具有较高的压缩模量.材料的径向压缩表现为假塑性断裂行为,在材料的断裂面上具有大量纤维及基体碎屑,材料发生剪切破坏及基体压溃破坏.材料的轴向压缩与环向压缩表现为脆性断裂行为,材料主要以分层劈裂方式破坏.     

刚性短切碳纤维预制体和酚醛浸渍碳烧蚀体的制备及性能

以短切碳纤维、热固性酚醛树脂为原料,经真空成型得到短切碳纤维预制体(Fiberform),再以Fiberform为骨架、酚醛树脂溶液为浸渍液,经反应干燥得到酚醛浸渍碳烧蚀体(PICA)。结果表明:Fiberform具有明显的各向异性,当Fiberform的密度由0.13 g/cm~3增大到0.18 g/m~3时,其纵向压缩强度由0.10 MPa增大到0.39 MPa,横向压缩强度由0.33 MPa增大到0.79 MPa。PICA具有酚醛气凝胶/碳纤维复合型结构,其密度可以通过控制酚醛树脂溶液浓度来调节。当PICA的密度由0.27 g/cm~3增大到0.43 g/cm~3,其纵向压缩强度由0.45 MPa增大到2.42 MPa,横向压缩强度由1.36 MPa增大到3.12 MPa。PICA的隔热性能与Fiberform相近,其纵向和横向热导率分别为0.08和0.11 W/(m·K)。     

Z-pin增强泡沫夹层结构面压缩性能研究

Z-pin增强泡沫夹层结构作为一种新兴的复合材料夹层结构形式,能够克服传统蜂窝夹层结构的诸多缺陷。采用预浸碳纤维增强Rohacell夹芯,进行Z-pin角度为15°和25°,夹芯厚度分别为12.7mm和8mm两种Z-pin增强泡沫夹层结构的面内压缩性能试验,并与相同批次和尺寸的未增强件进行对比,考察其对传统泡沫夹层结构的增强作用。试验发现X状Z-pin增强能够大幅度提高夹层结构的压缩强度与刚度。同时,增强材料表现出与传统泡沫夹层结构不同的压缩变形与破坏模式。证实Z-pin的弹性屈曲控制着结构的压缩强度,夹芯厚度和Z-pin角度影响Z-pin屈曲的计算长度,从而成为材料压缩强度的控制因数。在此基础上,考虑面板对Z-pin的有限转动约束,通过引进约束修正系数改进现有的压缩强度预测模型,预测值与试验结果更加接近。     

低温用碳/ 环氧复合材料性能

针对复合材料在液氮温度下的应用需求,采用RTM工艺制备了几种碳/环氧复合材料,评价了这几种复合材料在80℃、室温和-196℃下的弯曲、压缩、层剪、冲击性能和室温下的GⅠC、GⅡC。结果显示:随着测试温度的降低,复合材料的弯曲强度、压缩强度、冲击强度明显提高;而低温对复合材料模量的影响较小。树脂基体的韧性对复合材料的强度、模量等性能影响不大,而碳纤维种类对复合材料的强度和模量影响较大。树脂基体韧性和碳纤维种类均不改变复合材料力学性能随测试温度变化的趋势。树脂基体韧性和碳纤维种类均会影响复合材料的层间断裂韧性,其中高韧性树脂基体可更加明显地提高复合材料的层间断裂韧性;M40级经编织物/R608-2复合材料GⅠC高达868 J/m2、GⅡC高达2 750 J/m2,但采用高韧性基体的复合材料Tg会有所降低。     

泡沫钢的制备、性能及应用研究进展

泡沫钢作为近年来开发的一种新型结构-功能材料,具有高比强度和比刚度、高比表面积、轻质、吸能减震、多孔过滤、电磁屏蔽、生物相容性等优点,在航空航天、汽车船舶、建筑工程、散热隔热、催化过滤、电磁屏蔽、生物医疗等领域呈现出广阔的应用前景。本文综述了新型泡沫钢材料的研究发展现状;介绍了泡沫钢材料的现有制备工艺、结构、性能特征及应用领域,主要包括制备工艺的优缺点,不同工艺制得泡沫钢的孔结构特征,泡沫钢的力学性能（屈服强度、弹性模量、吸能值）、物理性能（散热隔热、吸声隔声、电磁屏蔽）、生物性能及应用情况;分析了泡沫钢存在的问题及限制其工业化开发应用的因素。总的来说,泡沫钢作为一种轻型高比强度结构材料和特殊性能的功能材料,未来需要建立工艺-结构-性能理论模型,优化制备工艺,实现规模化生产和应用。