热力氧耦合环境下C/C复合材料的力学性能表征

为了准确表征C/C复合材料在热力氧耦合环境下的力学性能,采用高温试验装置,在不同的预应力与温度条件下对带/不带抗氧化涂层2类典型的C/C复合材料拉伸试验件进行测试.试验结果表明,不同应力水平导致C/C复合材料的损伤可分为扩散控制和反应控制2个阶段.在扩散控制阶段,结构各部分承载的均匀性较好;在反应控制阶段,材料拉伸模量显著下降.当高温下外载荷产生的应变小于等于0.2%时,不带抗氧化涂层C/C复合材料的强度约为带抗氧化涂层C/C复合材料强度的50%.不同温度条件下材料的强度性能变化不显著,但随时间增加,其高温强度逐渐下降.研究结果对于C/C复合材料在飞行环境下的强度设计与评估具有重要的参考价值.     

均匀化方法对单向碳/铝复合材料弹性性能预测

基于均匀化方法,预测单向碳/铝复合材料的等效弹性模量,得到单向碳/铝复合材料等效弹性常数的预测公式.首先,采用均匀化方法对单向玻纤/环氧复合材料等效弹性模量进行预测,得到玻纤/环氧复合材料的等效弹性常数,并与NASA经验公式的计算结果进行比较.结果表明,均匀化方法计算得到的等效弹性常数与NASA经验公式的计算结果相吻合,验证了周期性边界条件以及均匀化方法预测单向复合材料弹性性能的正确性.然后,采用均匀化方法对不同纤维含量的单向碳/铝复合材料等效弹性模量进行预测,并与NASA经验公式和混合法则的计算结果进行比较.结果表明,NASA经验公式和混合法则的计算公式可以预测单向碳/铝复合材料的纵向拉伸模量和纵向泊松比,但无法预测其横向拉伸模量和剪切模量.最后,采用最小二乘法拟合均匀化方法的计算结果对NASA经验公式进行修正,得到了单向碳纤维增强铝基复合材料横向拉伸模量和剪切模量的预测公式.     

短碳纤维增强尼龙6复合材料的制备与研究

碳纤维复合材料是通过双螺杆反应挤出机复合制备,研究了复合材料的微结构和力学性能,碳纤维的扫描电镜照片显示,处理后的碳纤维较未处理碳纤维有更好的表面粗糙度。复合材料断面照片显示处理后的碳纤维和基体尼龙6材料有着很好的界面结合。复合材料的力学性能得到提高,其拉伸强度和拉伸模量分别提高了33%和50%。     

填充剂对二维C／C复合材料室温力学性能的影响

主要研究了在CVI法制备C/C复合材料工艺中,热解炭粉、石墨粉、SiC粉填充二维C/C复合材料的力学性能变化规律,详细分析了加入填充剂前后材料的弯曲强度、拉伸强度、模量及Ⅱ型层间裂纹扩展能的变化机理,研究结果表明：在C/C复合材料中加入这3种填料后均使材料的强度有所下降,但是采用石墨粉及热解炭粉填充二维C/C复合材料可以显著提高复合材料的层间结合性能,由于填充的热解炭粉与基体材料在分子及晶体结构上的相似性,加入热解炭粉填充C/C复合材料使层间结合性能提高最显著,强度损失也最小,并且使材料的弯曲断裂呈现脆性断裂特征。     

碳纤维毡增强聚丙烯复合材料的力学性能

将长碳纤维开松针刺成毡,并通过双钢带压机制备了碳纤维毡增强聚丙烯复合材料(CFRPP),考察了碳纤维长度、含量、纤维毡的针刺及针刺类型、基体改性等因素对复合材料力学性能的影响,并对复合材料断面进行了扫描电镜观察以分析CFRPP界面结合情况。结果表明:实验范围内的纤维长度对碳纤维增强复合材料的力学性能基本没有影响;复合材料综合力学性能最佳的碳纤维质量分数约为30%;碳纤维毡经三角形针针刺后复合材料的拉伸性能得到较大幅度提高;相容剂马来酸酐接枝聚丙烯(MPP)能够改善碳纤维与聚丙烯的界面结合,提高复合材料的力学性能,其最适宜的相容剂MPP的质量分数约为20%;将长度为80mm的碳纤维用三角针刺成毡后,以MPP改性的聚丙烯(wMPP=20%)浸渍制备得到碳纤维质量分数为30%的复合材料,拉伸强度为203.3 MPa,拉伸模量达16.6GPa,弯曲强度为223.2 MPa,弯曲模量达到12.0GPa,缺口冲击强度为752.2J/m。     

骨折固定用三维编织复合材料的性能

为避免传统金属骨折固定材料应力遮挡效应,采用真空浸渍法制备了新型骨折固定用三维编织碳纤维/环氧(C3D/EP)复合材料,研究了该材料的弯曲、剪切和冲击性能,讨论了其失效方式,通过体外细胞培养法对C3D/EP复合材料的细胞毒性进行了评价.结果表明,与常用金属骨固定材料相比,纤维含量为43%的C3D/EP复合材料弯曲强度已超过不锈钢并接近钛合金,但模量比后二者低得多,与人骨相近;与长纤维复合材料(CL/EP)相比,C3D/EP复合材料破坏时不发生脆性断裂,另外,3T3细胞系和小鼠骨髓基质细胞毒性实验表明,该材料基本没有细胞毒性.上述结果表明该C3D/EP骨折固定复合材料具有良好的应用前景.     

纳米碳纤维/聚二甲基硅氧烷复合材料的制备及其力学性能

为制备综合力学性能优异的纳米碳纤维(CNFs)增强聚合物复合材料,利用超声分散设备,采用1.6g/L的十二烷基酸钠(SDS)对纳米碳纤维进行表面处理,制备出不同纳米碳纤维质量分数的纳米碳纤维/聚二甲基硅氧烷复合材料.SEM和复合材料拉伸结果表明SDS分散处理在一定程度上能改善碳纳米纤维与基体的界面结合和分散情况,提高复合材料的拉伸性能.当纳米碳纤维的含量在3wt%左右时,复合材料的拉伸强度达到最大.动态拉伸结果表明对CNFs的表面处理能增加复合材料在动态变形时的内摩擦,且材料的动态力学性能稳定.     

Al2O3界面修饰单向纤维C/C复合材料组织结构及其力学性能

为了缓解C/C复合材料脆性,利用勃姆石溶胶对单向碳纤维预制体进行处理,在纤维表面制备了Al₂O₃涂层.使用自制的热梯度化学气相沉积(TG-CVI)设备对预制体进行致密化,得到致密的C/C复合材料.通过高温热处理进一步调节界面的结合强度和基体碳的石墨化程度.利用排水法测试复合材料的密度,万能材料试验机测试其拉伸性能,采用可视化石墨烯片层技术(VGT)对试样进行处理,使用偏光显微镜(PLM)、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)分别研究复合材料的微观组织、界面和断面形貌、以及物相组成.结果表明：涂覆Al₂O₃涂层的C/C复合材料在沉积后期转变为粗糙层(RL)织构.经过高温热处理后,碳基体的石墨化程度提高,改变了C/C复合材料的断裂机制.由复合材料最初的脆性断裂向拟延性转变,延伸率提高.C₍f(Al₂O₃))/C-3样品的峰值应力达到了77.3 MPa,延伸率达到了15%.     

稀土处理对碳纤维增强聚四氟乙烯复合材料拉伸性能的影响

采用空气氧化、空气氧化后稀土改性和稀土改性对碳纤维表面进行处理,并研究了3种表面处理对碳纤维增强聚四氟乙烯(CF/PTFE)复合材料拉伸性能的影响.探讨了稀土含量对于复合材料拉伸性能的影响,并运用扫描电子显微镜(SEM)对复合材料拉伸试件的断口进行分析.结果表明:稀土处理能够有效地提高碳纤维与聚四氟乙烯基体的界面结合力,从而提高CF/PTFE复合材料的拉伸性能.当稀土元素在表面改性剂中的质量分数为0.3%时,CF/PTFE复合材料的拉伸性能最佳.     

镍对C／Cu复合材料界面特性影响的研究

利用透射电镜及x射线衍射仪研究了C/Cu复合材料的界面特性及合金元素镍对C/Cu复合材料界面特性的影响。研究表明,C/Cu复合材料的界面既无化学反应也没有扩散发生,C-Cu界面是物理结合。合金元素Ni与碳纤维发生互扩散使碳纤维发生一定的石墨化,但使C-Cu界面结合强度明显提高,因此使C/Cu复合材料的强度从650MPa提高到760MPa,横向剪切强度从30MPa提高到70MPa。扩散型界面结合是理想的界面结合状态。     

SiC涂层C/C复合材料应力氧化失效行为

在氧化性气氛(21% O2 79% Ar)、不同拉应力下研究SiC涂层C/C复合材料在1 000 ℃和1 300 ℃的氧化失效行为;采用扫描电镜观察SiC涂层C/C复合材料氧化失效后的断口形貌.试验结果表明:当温度为1 000 ℃,拉应力由C/C复合材料拉伸强度的20%增加至50%时,SiC涂层C/C复合材料的应力氧化明显加剧,寿命由大于5.00 h缩短到2.92 h,应力对SiC涂层C/C复合材料的寿命有显著影响;当拉应力为C/C复合材料拉伸强度的50%,温度为1 000 ℃和1 300 ℃时,材料均在低温区断裂,应力氧化寿命分别为2.92 h和2.62 h,温度对应力氧化寿命的影响不明显;应力氧化失效以纤维的氧化失效为主,外加拉应力起促进作用.     

碳纤维复合材料单向层合板自传感特性

通过测试碳纤维/环氧复合材料(CFRP)单向层合板单轴拉伸和循环拉伸时的电阻变化,研究了碳纤维复合材料单向层合板自传感特性.结果表明:不同铺层方向CFRP单向层合板拉伸时体积电阻变化特性各不相同,该电阻变化特性比应力、应变能更多地反映有关材料内部结构变化的信息;CFRP单向层合板具有压阻效应,压阻效应随着应力的增加而增加,偏轴拉伸、横向拉伸时压阻效应比纵向拉伸时要大,且随铺层方向角的增大,压阻效应越来越明显.利用CFRP单向层合板这种自传感特性,可实现在线实时自监测以及对其损伤、破坏的自诊断.     

碳纤维复合材料连接方式

为了解碳纤维材料不同连接方式对连接强度的影响,进行了碳纤维复合材料胶接和螺栓连接的拉伸试验.结果表明:采用胶接方式时碳纤维复合材料的拉断力随胶粘面积的增大而增大;单螺栓连接材料的拉伸破坏载荷均值为5.22kN,螺栓孔拉伸强度均值为481.83 MPa;双螺栓连接材料的拉伸破坏载荷均值为10.82kN,螺栓孔拉伸强度均值为538.8 MPa.     

CFRP薄壁管空间伸展臂模态与影响参数分析及试验

通过单向拉伸测试和理论计算得到4层(45°/-45°/45°/-45°)铺设碳纤维增强复合材料(CFRP)的弹性模量,作为数值分析的材料参数.由激光测振系统测试了CFRP薄壁管空间伸展臂自振模态,得到自振频率和振型.利用ABAQUS建立了CFRP薄壁管空间伸展臂自振模态有限元模型,分别采用分层和整体材料参数分析了自振模态,得到的自振频率和振型与试验结果吻合较好,进而计算分析得到CFRP薄壁管空间伸展臂线刚度(EI/L)和刚度线密度比(EI/m)对频率的影响关系.研究结果对CFRP薄壁管空间伸展臂设计和深入研究具有重要参考价值.     

碳纤维管状复合材料整体拉伸强度测试方法优化

针对目前碳纤维管状复合材料测试方法单一、整体拉伸测试方法存在不足的现状,提出一种新的碳纤维管状复合材料试样处理方法,优化改进整体拉伸强度测试方法,设计制备了试样处理模具和整体拉伸专用夹具,并通过试验验证了新测试方法的优越性,从而解决了管状复合材料整体拉伸测试中夹持困难、失败率高、耗时长的问题.     

CVI法制备C/C复合材料的温度梯度

温度梯度CVI法可在碳纤维预制体内部实现热解碳由高温区域向低温区域的顺序沉积,是快速、低成本制备C/C复合材料的一种有效途径.通过设计变径螺旋感应线圈,可实现被加热工件轴向及径向的温度梯度.变径螺旋感应线圈加热圆柱状石墨试样温度场实测结果显示:沿轴向温度呈线性变化,径向温度场呈"浅盘状"分布.以碳毡为预制体在变径感应线圈中用CVI法制备C/C复合材料,沉积46h后,高温区材料密度从0.08g·cm-3增加到1.487g·cm-3,低温区密度增加到0.398g·cm-3,说明碳毡预制体内热解碳发生了顺序沉积,可实现快速致密化.     

考虑双模量影响的复合材料销钉连接失效分析

摘要： 针对复合材料层压板销钉连接结构连接特性,提出一种考虑双模量影响的破坏载荷的数值模拟方法.考虑复合材料在拉伸和压缩应力状态下弹性模量的不同,根据材料所处应力条件选择适当的刚度矩阵,以三维Hashin准则作为单向复合材料层压板的失效判据,采用Camanho的刚度折减模型,将3组不同厚度和铺层的复合材料层压板破坏载荷的试验结果与考虑双模量影响和仅用拉伸模量的有限元模拟结果进行对比.结果表明,考虑双模量影响的有限元模型能够更加准确地预测最终层压板销钉连接结构的破坏载荷.     

3D C/SiC复合材料的力学性能

对三维四向编织结构炭纤维增强碳化硅基复合材料的弯曲、断裂韧性和拉伸性能进行研究,利用扫描电镜(SEM)观察材料的断口形貌,获得该材料主要的力学性能及破坏规律.研究结果表明:三维C/SiC复合材料具有较高的弯曲强度和断裂韧性,最高值分别为465 MPa和15.1 MPa·m1/2;界面结合适中的材料纤维与纤维束被大量拔出,表现出较好的假塑性断裂特征;材料的拉伸强度最高达到168 MPa:材料在拉伸过程中,其纤维束在外力作用下向受力的轴向靠拢,纤维束间的夹角减少,材料总应变增加.     

基于X射线CT原位试验的平纹SiC/SiC复合材料拉伸损伤演化

采用化学气相渗透工艺制备平纹SiC/SiC复合材料,利用X射线CT无损检测技术研究纺织陶瓷基复合材料拉伸损伤演化与失效机理.制备了第3代SiC纤维增韧平纹叠层SiC/SiC狗骨状试件.研制了CT原位拉伸测试仪,完成了纳米X射线CT原位拉伸试验,对CT扫描三维重建图像和扫描电镜照片进行了分析.结果表明:纳米X射线CT原位试验能够揭示材料拉伸损伤演化过程.平纹SiC/SiC复合材料单轴拉伸应力-应变曲线呈现明显的非线性特征,损伤萌生于非线性变化阶段.首先,出现基体横向开裂,并随着拉力的增加逐渐扩展.其次,出现层间基体开裂和纤维束基体纵向开裂,并逐渐扩展至纤维束宽度.最后,拉伸方向纤维断裂,材料失效,大多基体横向裂纹闭合,但纵向纤维束与束间基体分离严重,断口参差不齐,有明显的纤维拔出现象.     

碳纤维-纳米金复合材料修饰电极检测ATP的研究

采用静电纺丝法和高温碳化法制备了碳纤维材料,进一步用水热合成法制备碳纤维-纳米金复合材料.将优化浓度的碳纤维-纳米金复合材料作为修饰剂固定于碳离子液体电极(CILE)的表面制得了碳纤维-纳米金修饰电极(CNF-Au/CILE),采用扫描电子显微镜考察了复合材料的表面形貌.最优实验条件下将该修饰电极用于ATP的检测,结果...