PAN基碳纤维的微观结构与力学性能相关性分析

采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、小角X射线散射仪对三种聚丙烯腈(PAN)基碳纤维T300,T700S,和T800H的结构进行表征,获得几种微观结构信息,包括表面沟槽形貌和拉断断口形貌反映出的前驱体原丝的原纤结构、石墨微晶尺寸及取向程度、微孔尺寸等。结果表明,碳纤维的力学性能不是由某一种微观结构决定的,而是所有微观结构特征的综合表现。T300是三种碳纤维中力学性能最低的,它的这几种微观结构特征参数都较差;T700S比T300的直径略小,但因结构更致密,缺陷更少,所以拉伸强度、断裂伸长率和密度远远高于T300;虽然T800H的原纤结构不如T700S均匀致密,但在单丝直径、剪断断口形貌、石墨微晶取向度和微孔尺寸上优于T700S,因此拉伸强度、拉伸模量和密度更高;但其石墨微晶轴向尺寸较大,造成塑性下降,因此断裂伸长率略小于T700S。     

双锋角钻头钻削碳纤维增强树脂基复合材料钻孔缺陷的研究

针对碳纤维复合材料钻孔时易产生撕裂、毛刺等缺陷的特点,采用双锋角钻头为研究对象,从横刃、第一主切削刃和第二主切削刃对孔入、出口缺陷的影响和加工参数对撕裂因子的影响规律等方面分析双锋角钻头钻孔特点,并与普通麻花钻进行对比。结果表明:在相同的加工参数下,双锋角钻头双主切削刃加工特点降低了入、出口钻削轴向力,有效抑制了入、出口撕裂、毛刺等缺陷产生,更适合于钻削碳纤维复合材料。主轴转速增大有利于减小撕裂因子,随着进给速度的增加撕裂因子呈增大的趋势。采用多元线性回归方法建立了试验两种钻头钻孔入、出口的撕裂因子与加工参数之间的回归预测模型。     

取向非连续碳纤维复合材料制备与性能

将传统的连续纤维预浸料通过机械高频切割的方法制成取向非连续碳纤维预浸料,并固化得到取向非连续复合材料,研究复合材料的内部质量与力学性能,并与连续碳纤维复合材料和随机取向碳纤维复合材料的相关力学性能进行对比分析。结果表明:与连续纤维复合材料相比,纤维被切断后制得的取向非连续碳纤维复合材料内部质量良好,并保持了较好的力学性能,0°拉伸强度保持率在63%以上,弹性模量基本保持不变,0°弯曲强度保持率在85%以上,弹性模量保持率在78%以上,且远远优于随机取向碳纤维复合材料的力学性能。     

基体性能对碳／玻混杂复合材料压缩性能的影响

本文分析研究了两种不同基体的性能对玻璃纤维、碳纤维和碳/玻混杂纤维复合材料横向压缩性能的影响。结果表明:复合材料的横向压缩强度和模量主要取决于基体的压缩强度和模量,且随纤维横向模量的提高而提高。基体和纤维的性能影响着复合材料横向压缩破坏形式,横向压缩强度随破断角φ的减小而提高。     

树脂交联结构特征对复合材料纵向压缩性能的影响

通过选择不同官能度的环氧树脂,调节树脂单体配比,获得了不同固化交联结构的环氧树脂基体,并与国产T800级碳纤维复合制备成碳纤维复合材料;研究不同交联结构的环氧树脂基体对其 T800级碳纤维复合材料纵向压缩性能的影响。研究结果表明,随着三官能团树脂含量升高,树脂基体的交联密度增大,树脂基体模量增大,其对应碳纤维复合材料单向层合板泊松比降低;碳纤维复合材料的纵向压缩强度随着树脂基体交联密度的增大而增大;树脂基体交联密度对单向复合材料层合板纵向压缩模量的影响不明显。     

纳米压痕技术表征T800碳纤维的弹性模量和硬度

利用纳米压痕技术对T800SC碳纤维不同取向(纤维轴向与纳米压痕测试面成θ夹角)的弹性模量和硬度进行了测试,结合Weibull分布函数对T800SC碳纤维不同取向的弹性模量和硬度进行统计分析。结果表明:随着测试面与纤维轴向夹角的增大,T800SC碳纤维的弹性模量和硬度逐渐增大。T800SC碳纤维的弹性模量从平行纤维轴向时的(15.84±2.00)GPa增加到垂直纤维轴向时的(50.96±5.73)GPa;T800SC碳纤维的硬度从平行纤维轴向时的(2.71±0.51)GPa增加到垂直纤维轴向时的(5.24±0.91)GPa。对于纤维不同取向的弹性模量,其Weibull模数在9.0~10.5;对于纤维不同取向的硬度,其Weibull模数在6.0~8.0。     

碳纤维热导率与其微观结构参数的关系

碳纤维具有多晶多相特性,为了研究微晶结构特性对热导率的影响,本文通过XRD对碳纤维的微观特征结构参数的表征,对导热性能与微观特征结构的关联性进行了研究。研究结果表明,碳纤维热导率随着石墨微晶的基面宽度（L_a）、堆砌厚度（L_c）和平均堆垛层数（N）的增大而增大,随着孔隙率（V_p）的增大而降低。基于Raman图谱的分峰拟合信息,对碳纤维的石墨化度进行分析。结果显示,碳纤维的石墨化度越大,热导率越高。     

碳纤维-微晶复合材料反射镜光学加工实验

采用环抛方法对有预埋件和无预埋件的两块碳纤维-微晶复合材料反射镜进行光学加工,之后进行了稳定性实验研究,采用Zygo干涉仪实测了碳纤维-微晶复合材料反射镜面形.稳定实验后,有预埋件反射镜面形P-V值为3.013λ,RMS值为0.669λ;无预埋件反射镜面形P-V值为2.313λ,RMS值为0.276λ(λ=632.8 nm).实验结果证明,有预埋件的碳纤维-微晶复合材料反射镜结构优于无预埋件结构,为碳纤维-微晶复合材料反射镜的工程化提供参考.     

碳纤维复合材料压缩性能的研究

本文研究了由三种力学性能不同的基体制备的单向碳纤维复合材料的压缩性能及破坏特征,探讨了基体性能对碳纤维复合材料压缩性能的影响。结果表明,复合材料的纵向压缩强度是基体压缩模量、泊松此和拉伸比例极限应变的函数。当纤维体积含量、基体压缩模量和泊松比变化不大时,其纵向压缩强度随基体拉伸比例极限应变的提高而提高;复合材料的横向压缩强度大于基体的压缩强度;当基体的模量降低和韧性增加时,复合材料的横向压缩破坏的破断角增大,横向压缩强度有所降低。     

碳纤维在日本、英国和美国的命名情况

碳纤维的力学性能(纤维C-轴的模量和强度)取决于原料及其最终的热处理条件。为了表征各类碳纤维C-轴的这两个基本参数(模量与强度),由于传统的原因,在不同的国家里,对碳纤维的命名和分类各不相同。     

黏胶纤维在热解过程中微孔结构的演变

利用同步辐射X射线小角散射(SAXS)研究了黏胶基碳纤维原丝裂解过程中微孔的变化。结果表明:裂解过程中微孔沿轴向的半径由3.88砌逐渐增大到7.04nm,而垂直于轴向的半径则由3.86 nm减小至3.15 nm。因而,孔形由椭圆逐渐演变成针形,且取向趋向于纤维轴方向。分形研究表明:垂直于轴向的微孔分形雏数由2.40增大到2.61,而沿轴向的微孔分形维数则在2.00~2.23波动,说明随着裂解的进行,微孔结构逐渐趋于复杂化。微孔是影响纤维的力学性能主要因素,对纤维中的微孔结构的研究有着重要意义。     

高温热管与高导热石墨烧蚀传热性能

利用石英灯辐射加热器和电弧风洞耦合加热模拟高超声速飞行器驻点高温区的加热环境,对一

种内部为高温热管和一种内部为高导热石墨的简单球柱形套装样件进行了加热试验。利用非接触红外测温装

置对样件表面的温度进行了测量,通过与内部为C/ C 材料制成的对比样件的试验结果分析,发现高温热管和

高导热石墨均能够有效地将样件驻点高温区热量传导到柱身低温区,其中高温热管样件驻点温度降低9. 5%,

柱身温度升高14. 6%;高导热石墨驻点温度降低14. 4%,柱身温度升高11. 4%,显示两种材料均具有良好的热

疏导效果。

     

CFRP铣削有限元模型建立及切削力仿真分析

为探索碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)铣削加工过程中切削力与工艺参数之间的映射关系,建立CFRP铣削加工有限元仿真模型并对切削力进行分析。基于ABAQUS软件通过定义材料属性、材料失效模型、纤维铺层数和纤维方向建立了CFRP铣削加工二维有限元仿真模型,并对该模型进行了实验验证。基于该模型,分析了切削力与纤维方向角、铣削速度、每齿进给量和刀具前角等工艺参数之间的映射关系。仿真结果表明:纤维方向角从0°增大到90°,切削力呈现降低趋势,而纤维方向角从90°增大到180°,切削力呈现增大趋势。随着切削速度和每齿进给量的增大,切削力随之增大,而随着刀具前角增大,切削力随之减小。     

碳纤维增强树脂基摩擦材料摩擦磨损性能

为提高树脂基摩擦材料摩擦因数稳定性,改善其抗热衰退性能。以碳纤维作为增强纤维,采用热压成型工艺制备碳纤维增强树脂基摩擦材料;用XD-MSM型定速摩擦试验机测定摩擦磨损性能,研究了不同含量碳纤维增强对树脂基摩擦材料摩擦磨损性能的影响;利用VK-X200三维激光扫描显微镜观察了摩擦材料磨损后表面的微观形貌并探讨其磨损机理。结果表明,碳纤维增强树脂基摩擦材料的硬度、压缩强度和剪切强度均得到提高,并随碳纤维含量的增加而逐渐增大;碳纤维增强作用提高了树脂基摩擦材料的耐磨性和摩擦因数的稳定性,改变了树脂基摩擦材料的摩擦磨损形式;碳纤维含量为4wt%的增强树脂基摩擦材料摩擦因数稳定性较高,抗热衰退性能较好,磨损机制主要为疲劳磨损。     

高温环境下硅酸铝纤维的隔热性能

　硅酸铝纤维供应商往往只提供客户硅酸铝纤维在某一温度的热导率,难以指导隔热结构的设计。

本文针对市场上常用的硅酸铝纤维板,设计了隔热性能测试装置,实验获得硅酸铝纤维温度随时间的变化曲

线,并进行了有限元仿真分析。研究表明,硅酸铝纤维隔热效果稳定且具有一定的抗热辐射能力。有限元分析

结果与实验数据基本一致,说明采用有限元分析方法能够支持设计人员较好预测隔热效果。

     

PIP 法制备SiBN 纤维增强氮化物陶瓷基复合材料Ⅰ———纤维和先驱体性能分析

利用先驱体聚合物浸渍-裂解(PIP)技术制备SiBN纤维增强氮化物陶瓷基复合材料,对SiBN纤维、聚硅硼氮烷有机先驱体裂解以及SiBN纤维增强氮化物陶瓷基复合材料性能进行了分析。研究表明:聚硅硼氮烷先驱体在氨气气氛下裂解得到的陶瓷产物碳含量较低,其裂解产物介电常数在3.0左右,介电损耗小于0.01;SiBN纤维中C和O元素含量均较高,碳的存在对材料介电性能影响明显;制备的氮化物陶瓷基复合材料弯曲强度为88.52 MPa,弹性模量为20.03 GPa。     

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杨

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Fi鄄

berform 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/ cm3增大到0. 18 g/ m3 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/ cm3增大到0. 43 g/ cm3,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)。

     

双锋角钻头钻削碳纤维增强树脂基复合材料研究

采用双锋角钻头和普通麻花钻对T700碳纤维复合材料(CFRP)进行钻削试验,从钻削轴向力、制孔出口质量和表面粗糙度等方面分析双锋角钻头在不同加工参数下制孔特点,并与普通麻花钻进行对比。试验结果表明:与普通麻花钻对比,双锋角钻头钻削CFRP时钻削轴向力减小约20%,制孔出口质量更好,孔壁的表面粗糙度值减小,体现优异的切削性能更适合CFRP的制孔加工。     

含锆沥青热解缩聚行为研究

利用TG/ DTG 方法对含锆沥青热解缩聚行为进行研究,并与基础沥青进行对比。结果表明:含

锆沥青与基础沥青热解反应特征相似,但比基础沥青热分解起始温度高,黏度大;随着升温速率的提高,含锆沥

青起始和终止的分解温度升高,DTG 峰形变尖锐,峰位向高温方向移动;含锆沥青与基础沥青表观活化能相

当,表明在现有锆含量下,含锆沥青的反应活性与基础沥青相比没有明显变化。