低温对碳纤维复合材料弯曲性能影响试验研究

由于航天运载器的轻量化需求,高性能碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)已经应用于液体燃料贮箱的研制,但其服役环境苛刻,往往要经受-183~-253 ℃的超低温或多次低温循环过程．目前,对CFRP的低温力学性能,尤其是常-低温循环力学性能的研究仍比较局限,这制约了CFRP燃料贮箱的设计和研制进程．本文针对一种液氧相容的环氧树脂体系,采用热压罐工艺制备了CFRP单向板,并测试其在25 ℃、-55 ℃、 -120 ℃和-183 ℃下的弯曲力学性能．结果表明,弯曲强度和模量均随着温度降低而提高,当温度从25 ℃降低到-183 ℃时,弯曲强度提高约66.7 %,弯曲模量提高约10.3 %．同时,本文也研究了室温-液氧循环50~200次对弯曲力学性能及微裂纹萌生的影响．结果表明,200次循环后,单向板的弯曲强度基本没有降低,并且内部也无微裂纹产生．本文研究表明,该CFRP体系具有较为优异的低温力学性能和耐低温循环性能,在液体燃料贮箱领域有着巨大应用潜力．     

碳纳米管网格对碳纤维复合材料层间剪切性能的影响

采用正压过滤法制备了不同厚度的多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes,MWNTs)网格,并将制得的MWNTs网格并入碳纤维层合板的层间界面,研究了网格对层合板II型层间断裂韧性(G_(IIC))和层间剪切强度(ILSS)的影响.结果表明,约20!m厚的多孔MWNTs网格使复合材料的G_(IIC)和ILSS分别提高了约69%和24%.微观断面表明,连续的纳米网格显著提高了碳纤维和树脂基体的界面粘接性能,在剪力作用下,从典型的树脂脆性断裂以及纤维-树脂界面脱粘过渡到MWNTs增强树脂区域内的韧性断裂,一定厚度的MWNTs网格对层间区域起到了良好的增韧效应.     

偶件表面粗糙度对碳纤维增强尼龙复合材料摩擦学性能的影响

在栓-盘摩擦磨损试验机上考察了干摩擦条件下偶件表面粗糙度对碳纤维增强尼龙（PA1010）复合材料摩擦学性能的影响,采用不迩显微镜观察分析了偶件表面转移膜的形貌。结果表明,碳纤维能够明显提高PA1010的耐磨性能,当碳纤维增强相的质量分数为10%和20%时,增强PA1010复合材料的磨损率比非增强PA1010的降低3～6倍。这是由于碳纤维起到了承载作用并具有较强的抗犁削能力所致,磨损表面形貌光学显微分析表明：磨损前后偶件表面形貌发生了明显的变化;当偶件表面粗糙度Ra处于0.11～0.13um范围内时,复合材料的摩损率最低;随Ra值的增大或减小微切削和转移膜疲劳脱落加剧致使复合材料的磨损率快速增大。     

热循环对碳纤维/双马来酰亚胺复合材料的影响

碳纤维/双马来酰亚胺复合材料比强度和比模量高,热稳定性良好,因此在航空航天飞行器中广泛应用。在低地球轨道空间,卫星和航天飞机穿梭于地球阴影内外,会受到外界温度的周期性影响。本文研究了高温环境(200℃)中和受到热循环老化(-120℃~200℃)的复合材料力学性能和微观形貌的变化。经过热循环处理之后,试样层间剪切强度降低;通过将横截面和侧面打磨抛光并使用扫描电镜进行观测,在横截面和侧面上均发现了细观微裂纹。大部分微裂纹萌生于基体及界面上,界面脱粘和碎屑明显可见,基体与界面处产生微裂纹是层间剪切强度下降的主要原因。因此,在复合材料的应用中应该关注热循环诱发微裂纹的现象。     

碳纤维铜基复合材料的摩擦学性能研究

本文对碳纤维铜基复合材料与钢组成的摩擦副进行了摩擦学性能研究,在不同的滑动速度和不同的载荷条件下,得出了摩擦系数和比磨损率的试验结果,并且对碳膜的形成和破裂,摩擦系数的变化过程,以及出现的磨损状态等进行了分析和讨论。     

碳纤维复合材料动力电池箱体挤压性能研究

通过有限元方法研究碳纤维复合材料箱体挤压性能,以动力电池系统碳纤维复合材料箱体挤压工况为例,基于LS-DYNA仿真有限元应用,重点阐述了碳纤维复合材料有限元仿真材料及夹芯面板铺层设置方法,分析了不同铺层角度对电池包挤压性能的影响。从最大挤压力、平均挤压力水平、能量吸收、比吸能考察碳纤维复合材料箱体电池包挤压性能指标发现,[0°,60°,0°,60°,0°,60°]铺层综合指标占优。有限元仿真技术在碳纤维复合材料上的应用可以有效地指导动力电池碳纤维复合材料箱体性能开发。     

玻璃纤维、碳纤维复合材料的阻尼性能分析

对复合材料的阻尼性能进行分析和有效预报能够实现对结构振动冲击、噪声、疲劳破坏的有效控制,有着非常重要的工程实际意义。本文采用悬臂梁法对玻璃纤维和碳纤维复合材料进行阻尼测试;同时用Adams-Bacon法和Ni-Adams法对实验结果进行了分析。结果发现:玻璃纤维、碳纤维复合材料的损耗因子峰值均出现在纤维角度30°附近;载荷低频段时材料的阻尼性能优于高频段时的阻尼性能。     

稀土改性对碳纤维增强聚酰亚胺复合材料在不同温度下摩擦学性能的影响

采用CSEM THT07-135高温摩擦试验机,研究了不同温度下碳纤维增强聚酰亚胺复合材料的摩擦磨损行为,重点考察了稀土改性对复合材料摩擦学性能的影响.结果表明;稀土改性处理可以提高复合材料在测试温度范围内的减摩耐磨性能.通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)对纤维改性前后的形貌进行分析,发现稀土溶液对纤维表面具有一定的刻蚀作用,进而提高了其比表面积;通过XPS测试分析,发现改性后的碳纤维表面的O、N含量增加,从而提高了纤维表面的极性,最终提高了纤维与树脂间的界面结合强度和材料的耐磨性能.     

纳米碳酸钙对聚丙烯/碳纤维复合材料力学性能的影响

通过熔融共混的方法分别制备了聚丙烯/碳纤维、聚丙烯/纳米碳酸钙及聚丙烯/纳米碳酸钙/碳纤维复合材料,并研究了碳纤维及纳米碳酸钙对聚丙烯材料增韧增刚的效果。结果表明,少量的碳纤维能够大幅提高聚丙烯材料的弯曲模量,并有一定的增韧效果;表面改性后的纳米碳酸钙能在聚丙烯基体中均匀分散,并大幅提高聚丙烯的缺口冲击韧性,在30%添加量下(重量比)提高幅度达到5.6倍,同时模量也有一定程度提高。将改性后的纳米碳酸钙和碳纤维同时加入聚丙烯基体中,结果显示:在保证纳米碳酸钙均匀分散的前提下,复合材料的缺口冲击强度和弯曲模量可以同时得到大幅度地提升,实现了聚丙烯基复合材料的高刚高韧改性。     

碳纤维织物/环氧复合材料油润滑下摩擦学性能

采用半干法制备碳纤维织物增强环氧树脂基自润滑复合材料,研究钢背衬复合材料与45钢在环-环端面浸油润滑状态下的摩擦学特性,考查载荷、速度和碳织物类型对复合材料摩擦磨损性能的影响,并采用扫描电子显微镜对复合材料及偶件磨损表面进行观察与分析.结果表明:轻载高速启动可显著提高单向碳织物/环氧复合材料的摩擦磨损性能,边界润滑状态下的碳织物/环氧复合材料主要表现出黏着磨损特性,对偶钢环上出现的网状转移膜大大改善了材料的摩擦学性能;平纹碳织物/环氧复合材料因表面织物纹理使得润滑油能深入到摩擦表面各区域,在重载下表现出较低的摩擦系数.     

碳纤维织物增强PES-C/PTFE复合材料的摩擦学性能研究

利用热压成型方法制备了不同PES-C/PTFE含量的碳纤维织物增强复合材料,用LJ-500万能材料试验机和MRH-5A环块试验机分别考察了复合材料的力学性能和摩擦磨损性能,并研究了压制成型温度和等离子处理碳纤维织物对复合材料力学性能的影响.结果表明,碳纤维织物极大提高了PES-C/PTFE树脂弯曲强度,并且有效增加PES-C/PTFE树脂的耐磨性;PES-C/PTFE含量分别为42%和8%的碳纤维织物增强复合材料性力学及摩擦磨损综合性能最好.     

微梁与基底间的毛细粘附作用

在表面微型机械结构的制造过程中,强的毛细相互作用常常使得组成这些结构的微桥、微梁与基底粘附而导致失效。而在微尺度实验中,微桥与微梁又是微尺度材料常数和性能检测的常用的试件样式,如果实验中加载端与被检测的微尺度试件发生毛细粘附,将直接影响检测数据的准确性。本文应用微悬臂梁试件,讨论微梁与基底间的毛细粘附作用,并通过能量原理计算其粘附力的大小和试件几何尺寸、粘附面距离、粘附液体特性之间的关系。最后应用微散斑干涉,检测粘附平衡态时微桥和微梁的粘附力以及由毛细粘附所导致的弯曲变形,并与理论计算结果进行比较。     

微结构对金属基复合材料宏观弹塑性性能的影响

采用广义自洽有限元迭代平均化方法分析ＳｉＣ晶须增强铝基复合材料的弹塑性拉伸行为，研究纤维长径与体分比的变化对复合材料宏观弹塑性变形的影响。通过细观应力场的分析，讨论基体内塑性区的发展与复合材料宏观弹塑性变形过程之间的联系，指出纤维端头处基体塑性区的发展将对复合材料拉伸弹塑性行为有着显著影响。最后，还讨论了以名义屈服应力σ０．２来表征金属基复合材料的弹塑性特征的不足之处。     

光纤传感器对机敏复合材料结构性能的影响

本文通过实验研究了光纤传感器对埋光纤机敏复合材料机械性能的影响，详细分析了埋光纤机敏复合材料层板在外载作用下的应力分布，针对三种不同铺层方式，研究了六种树脂填充区对机敏复合材料层板应力集中的影响，得出了减小应力集中的有效方案。     

填料特性对聚乙烯基复合材料性能的影响

在高密度聚乙烯中分别添加粒状，纤维状和层状填料，制备了结构和性能不同的几种聚乙烯基复合材料。利用Ｃｅａｓｔ仪器化冲击试验机，Ｉｎｓｔｏｒｏｎ４３０２万能材料试验机，ＳＲＶ摩擦磨损试验机，ＭＨＫ－５００型环－块磨损试验机等，研究了填料的形态、性质对聚乙烯基复合材料之机械性能和摩擦磨损性能的影响。     

碳纤维复合材料拉索的非线性力学性能

采用解析法分析碳纤维复合材料(CFRP)拉索的非线性力学性能,通过与钢拉索对比分析,得出了CFRP拉索的受力特点.由于密度低,CFRP拉索自重应力、垂度约为钢拉索的1/5,承载效率也比钢拉索高许多,其承载极限长度为钢拉索的7倍,且随跨径增大,钢拉索的等效弹性模量下降非常快,而CFRP索仍保持较高值.由于CFRP线胀系数比钢材的线胀系数要小得多,约为其1/14,在温差与约束相同时,无垂度CFRP索温度应力仅为无垂度钢索的1/23.当有垂度时,钢索的温度应力降低,CFRP索的温度应力变化很小.     

碳纤维的长度与取向对聚醚醚酮基复合材料摩擦磨损性能的影响

为了制备性能优异的聚醚醚酮(PEEK)基自润滑耐磨材料,本文作者通过挤出、注塑成型制备了碳纤维(CF)填充PEEK/聚四氟乙烯(PTFE)复合材料,研究了CF的含量、长度及其在复合材料中的取向对复合材料摩擦磨损性能的影响,采用扫描电子显微镜观察了磨痕的微观形貌,并分析了磨损机理. 研究结果表明:复合材料的平均摩擦系数和体积磨损率随CF添加量的增大均呈现先降低后升高的趋势. 当添加的CF质量分数大于10%时,长CF所填充复合材料的平均摩擦系数明显低于短CF填充复合材料. 当固定CF质量分数为10%时,复合材料在不同CF取向方向上的滑动摩擦磨损行为存在较大差异:X向(熔体流动方向)上滑动时,滑动方向与CF取向排列方向一致,平均摩擦系数较低,但体积磨损率较高;在Y滑动方向上(X的垂直方向)滑动时,平均摩擦系数较高,但体积磨损率较低.      

增强颗粒对铝基复合材料摩擦学性能的影响

采用自制的摩擦磨损试验机考察了增强颗粒对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：在基体合金、陶瓷颗粒尺寸和体积分数相同的条件下,SiC增强铝基复合材料的摩擦磨损性能优于Al2O3增强铝基复合材料;增大颗粒尺寸或增加颗粒体积分数均使得SiC颗粒增强铝基复合材料的平均摩擦系数略有降低,耐磨性能提高;在与半金属摩擦材料配副时,颗粒增强铝基复合材料的摩擦系数与基体合金的相近,耐磨性能提高了3个数量级。     

粘结剂特性对填充树脂复合材料摩擦学性能的影响

采用酚醛树脂、丁腈橡胶改性酚醛树脂和聚四氟乙烯（PTFE）作为粘结相,通过填充一定配比的石墨、焦炭及碳黑制备了3种树脂基复合材料电刷试样,并在MM-200型摩擦磨损试验机上对比考察了复合材料试样与铜对摩时的摩擦磨损性能,结果表明,与未改性的酚醛树脂基复合材料相比,改性酚醛树脂基复合材料由于韧性提高和硬度降低,因而磨损加剧;但相应的偶件铜环的磨损有所减轻,PTFE基复合材料具有良好的综合性能,偶件铜环的磨损亦较小,因此是一种潜在的高性能电刷复合材料。