基于碳纳米管薄膜的复合材料层间增韧

通过浮动催化化学气相沉积法制备连续碳纳米管薄膜,并将其原位沉积到单向碳纤维织物表面,手工铺层后借助真空辅助树脂传递模塑成型（VARTM）工艺制备碳纳米管-碳纤维/环氧树脂复合材料层压板,研究不同面密度的碳纳米管薄膜对层压板Ⅱ型层间断裂韧性的影响。结果表明,随着碳纳米管薄膜面密度的增加,层压板Ⅱ型层间断裂韧性先逐渐提高,当碳纳米管薄膜面密度为9.64 g/m²时,层压板Ⅱ型层间断裂韧性最佳,与原始层压板相比提高了94%。碳纳米管通过桥接树脂裂纹、从树脂中拔出等方式提高层间断裂韧性。当碳纳米管面密度超过临界值时,会引起树脂浸润困难,导致增韧效果降低。     

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%。     

CF/PEEK超声原位固结铺放及其复合材料力学性能

热塑性复合材料自动铺放（ATP）原位固结成型是未来航空复合材料结构件的发展趋势,缩小其制件与热压制件性能的差距具有工程实践意义。基于超声原位固结成型工艺,制备碳纤维增强聚醚醚酮树脂基复合材料（CF/PEEK）层合板,并与铺放后热压和直接平板热压试样比较力学性能差异,为热塑性复合材料的自动铺放提供参考。结果表明,超声热源能够满足CF/PEEK铺放的能量要求,功率的增加和铺放速度的降低有利于铺层结合;与平板热压试样相比,铺放成型试样的孔隙率高,纤维存在部分损伤;在节省了平板热压后固化周期的情况下,超声铺放单向层合板试样拉伸强度、拉伸模量和层间剪切强度分别为1.32、113.8 GPa和39.2 MPa,达到了直接热压试样的80.4%、84.8%和65.1%,在经过热压后固化后,分别提高到直接热压的92.1%、92.6%和82.5%。超声原位固结成型试样的简支梁摆锤冲击失效形式为分层,其经过热压后,孔隙率下降,铺层结合强度提高,试样的冲击失效形式为断裂,与直接热压的相同。     

多壁碳纳米管对C/E复合材料力学性能的影响

采用多壁碳纳米管(MWNTs)进行环氧树脂的改性,并制备了碳纤维热熔预浸料。研究了MWNTs的改性方法、规格、含量对树脂基体的流变特性和碳纤维复合材料力学性能的影响。结果表明:MWNTs的管径越小,改性树脂的黏度升高越明显,加入相容剂可降低工艺上的成型难度。MWNTs的长径比越大增韧效果越好,长径比较小时增强效果较好。C/E复合材料的0°、90°压缩强度、层剪强度、CAI着MWNT-NH_2(b)含量的提高呈现先增加后降低的趋势,当MWNT-NH_2(b)的含量为2%(质量分数)时,上述性能最优,0°、90°压缩模量则呈现逐渐增加的趋势。拔出与断裂、桥联效应、裂纹偏转效应是碳纳米管在C/E复合材料中的主要作用机制。     

CNT树脂基复合材料断裂韧性的优化设计

与碳纤维相比,碳纳米管（CNT）具有更高的力学性能和更低的密度,是理想的树脂基复合材料增强相,在航空航天领域具有广阔应用前景。提出一套CNT树脂基复合材料单边缺口弯曲（SENB）试件制备工艺以及微纳观结构和参数的测量方法。采用不同长度的多壁碳纳米管和不同时长的臭氧处理,制备出SENB试件进行断裂韧性实验,定量分析微纳观参数界面长度和C—C键密度对宏观断裂韧性的影响,提出断裂韧性优化方案。研究结果表明：界面C—C键密度和臭氧处理时间呈线性关系;相对增韧率随着臭氧处理时间先大幅增加后大幅下降,即存在临界界面C—C键密度使得复合材料的相对增韧率最大;弱界面的相对增韧率随着界面长度先大幅增加后略微下降;强界面的相对增韧率随着界面长度先大幅增加后大幅下降;当断面的CNT拔出和拔断的占比相近（即复合材料失效形式从CNT拔出转变为拔断）时断裂韧性最大。     

薄壁曲面复合材料层合板成型工艺参数与形面精度影响规律

为了得到高形面精度复合材料层合板适用的成型工艺控制方法，本文针对典型的Φ500 mm直径曲面球冠结构复合材料层合板，设计了6组不同工艺参数的成型对比实验，分析出边缘效应、铺放方式、固化温度等参数对层合板固化变形量的影响规律。研究表明，增加碳纤维模量和降低预浸料单层厚度可提高层合板形面精度；层合板铺放尺寸超过直径的5%可降低边缘效应的影响；自动铺丝技术铺放质量一致性高，手工铺层可以制造出高形面精度的层合板，但相对发生概率低；降低层合板固化温度和降温速率能够有效地提高层合板的形面精度。实验结论对复合材料高精度成型具有一定的指导意义。     

铺放参数对复合材料厚度方向力学行为影响

为了探究铺放工艺参数的变化对复合材料厚度方向力学行为的影响,通过面外拉伸实验分析了铺放压力与铺放温度对复合材料厚度方向面外拉伸强度与拉伸模量的影响,并对不同铺放工艺的试件失效模式进行了分析。试验结果表明,增大铺放压力会减小层间富树脂区厚度,使复合材料面外拉伸强度不断增大,当铺放压力为0.225 MPa时取得实验组最大值,与铺放压力0.075 MPa相较强度提升约13.1%,失效模式由纤维断裂与纤维层剥离的组合转变为纤维断裂;铺放压力的进一步增大会挤压层间树脂,改变树脂富集形态,使面外拉伸强度下降,剥离失效模式再度出现。实验用复合材料的适宜铺放温度为30℃,过高的铺放温度会导致孔隙率的上升,使复合材料的面外拉伸强度严重下降,裂纹扩展失去规律性;与铺放温度25℃相比,铺放温度为45℃时复合材料面外拉伸强度下降达19.2%,失效模式由纤维断裂与纤维层剥离的组合失效转化为单一的纤维层剥离失效。     

碳纳米管/连续碳纤维增强树脂基复合材料进展及其应用

综述了近年来制备碳纳米管/连续碳纤维增强树脂基复合材料成型工艺和应用等方面的进展,并对碳纳米管和连续碳纤维共同增强复合材料在航空工程领域的应用进行了展望。     

碳纤维的冷等离子体连续表面接枝工艺及其复合材料性能的研究

采用冷等离子体对碳纤维(CF)表面进行连续接枝处理。研究了碳纤维连续接枝工艺条件及其 CF/PMR-15复合材料的力学性能。合适的接枝单体及合适的接枝条件可使 CF/PMR-15复合材料的层间剪切强度较未处理的提高171.4%,拉伸强度及拉伸模量分别提高39.9%和11.3%。本文还对碳纤维的表面形貌及其复合材料的断裂特征进行了研究。     

RFI工艺成型两种环氧树脂基复合材料性能比较

采用RFI工艺分别成型了648和5228A环氧树脂基复合材料层合板,其增强材料为碳纤维无屈曲织物,铺层方式为[(0,90)/( 45)]s;测试了两组层舍板的拉伸性能、弯曲性能和层间剪切性能并做了比较分析;对破坏形式和机理进行了探讨.结果表明:5228A相对于648环氧树脂膜有较宽的低黏度区域,较长的凝胶时间;5228A与648层合板相比,拉伸强度高106%,拉伸模量、泊松比接近;弯曲强度高58%,弯曲模量高16%;层间剪切强度高62%.     

碳/碳复合材料用基体先驱体研究进展

综述了碳／碳复合材料用基体先驱体如沥青、酚醛树脂、邻苯二甲腈树脂和炔类树脂的合成及改性研究。为开发新一代低成本、高性能碳／碳复合材料提供了方向。     

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。     

高导热C/ C 复合材料的发展现状

高导热C/ C 复合材料具有高热导率、低密度、低热胀系数和高温下高强度等性能,成为近年来最
具发展前景的散热材料之一。本文综述了国内外高导热C/ C 复合材料的发展现状,分析了C/ C 复合材料的热
物理性能及影响其热导率的因素,介绍了C/ C 复合材料的导热机理、碳纤维、基体炭的导热性能,以及高导热
C/ C 复合材料的制备和改性等。     

碳/碳复合材料连接工艺的研究进展

对近年来用粘接以及用石墨、硼、硼化物、碳化物、金属、金属间化合物和玻璃等作中间层连接碳版复合材料的新方法进行了概述；介绍了碳／碳复合材料与铝、铜的粘接及钎焊连接工艺。     

碳纳米管/碳复合材料的研究

以多壁碳纳米管和中间相沥青为原料制备了碳纳米管／碳复合材料，主要研究了碳管用量及热处理温度对材料制备的影响，考察了材料的弯曲强度、硬度和热、电传导性能。结果表明：随着热处理温度的增加，材料表现出较大的收缩和失重，碳管用量较少的样品失重、收缩更大，碳管用量15％(质量分数)的样品经2500℃处理后密度可达1．90g／cm^3；复合材料表现了远高于基体碳的弯曲强度和硬度；然而热、电传导性能远远低于基体碳。     

预制体结构和热解碳组织对二维碳/碳复合材料热物理性能影响

制备了针刺毡、短纤维树脂模压、碳布叠层 3种预制体 ,其碳纤维体积含量均为 4 0 %。采用化学气相沉积工艺制备了 4种C/C复合材料 :针刺毡 粗糙体热解碳 (具有两种定向热解碳组织 )、短纤维 树脂和热解碳、碳布 光滑体热解碳复合材料 ,对其进行 2 5 0 0℃保温 2h的高温热处理。在 0～ 90 0℃ ,研究了预制体结构和热解碳组织对二维C/C复合材料的热膨胀系数、比热容、热扩散率、导热系数等热物理性能影响。研究发现 :预制体和热解碳结构对C/C复合材料热物理性能有强烈影响。 0～ 90 0℃ ,4种材料的热膨胀系数都非常小 ,与温度近似的成线性关系 ,且几乎具有相同的斜率 ,在一定条件下 ,其值呈现负热膨胀性质 ;0～ 90 0℃ ,4种材料都有高的导热系数 ,但作为温度的函数 ,其值随预制体结构、热解碳组织和传热方向而变化 ,x y向的导热系数 (2 5 .6～1 74W / (m·℃ ) )比z向的 (3.5～ 5 0W / (m·℃ ) )高几倍     

难熔金属及其化合物与C/C复合材料相互作用研究

利用织物混编难熔金属丝和浸渍含难熔金属化合物酚醛树脂两种方法，并结合常用的沥青浸影炭化工艺制备了含WC、TaC、ZrC、HfC的C／C复合材料，分析了难熔金属组分在工艺过程中的变化及其与C／C复合材料的相互作用。结果表明：混编的难熔金属丝既可以与基体碳也可以与碳纤维发生化学反应，导致部分碳纤维被侵蚀受损；另外，由于线膨胀系数差异大，造成难熔金属丝以及周围部分碳纤维或整束碳纤维的断裂。颗粒状难熔金属化合物不会造成整束碳纤维断裂，颗粒表层基体碳的取向程度明显高于周围树脂碳。     

无纬碳布增强针刺毡C/C复合材料性能的研究

比较了几种不同工艺制备的针刺毡C/C复合材料。对针刺碳毡织物首先进行预增密处理,得到初始密度和碳纤维含量较高的坯料,然后用树脂浸渍法进一步致密化。研究表明,用该方法制备的C/C复合材料比未经预处理的试样,拉伸强度提高39%,压缩强度提高14%,层间剪切强度提高36%。通过SEM观察和常温力学性能的测试,分析表明工艺的改进是强度提高的主要原因。     

碳纤维沥青裂解碳涂层研究

研究了沥青裂解法在碳纤维表面涂覆均匀碳涂层的工艺,并探讨了不同溶剂,不同浓度的涂层溶液对纤维表面形貌和纤维强度的影响。     

炭/炭复合材料快速制备工艺研究进展

综合评述国内外研制的几种快速制备工艺:快速定向流动CVI工艺、压力强制流CVI工艺、复合感应加热热梯度CVI工艺、液相气化CVI工艺和直热CVI工艺等,阐述了其快速制备炭/炭复合材料的工艺原理和主要研究成果,并分析了目前炭/炭复合材料快速制备工艺研究中存在的问题及发展趋势。