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碳纤维在高温下的结构、性能演变研究

针对碳纤维在碳／碳烧蚀防热复合材料中应用的基础问题，论述了不同碳纤维结构、成分、表面特征，及其力学性能和热物理性能的高温演变规律，揭示了碳纤维灰分含量对碳纤维力学性能和热氧化性能的影响。确定了在碳／碳复合材料复合成型过程中，碳纤维结构受基体碳影响的变化规律和碳纤维表面特征对碳／碳材料宏观力学性能的影响。阐明了碳／碳复合材料中碳纤维的力学性能对纤维发生折断烧蚀的阻碍作用和通过控制碳／碳成型最高温度实现提高性能的途径。

关键词: 碳纤维 , 烧蚀防热 , 复合材料 , 碳/碳

PAN基碳纤维的微观组织结构与力学性能关系研究

谭婷婷 , 王成国 , 井敏 , 冯志海 , 杨云华 , 陈旸 , 谢奔

功能材料

采用场发射扫描电子显微镜、广角X射线衍射、元素分析、高分辨透射电子显微镜对东丽T700S、T700G和东邦UT500 3种碳纤维的表面和断面形貌、化学组成及石墨微晶等微观组织结构进行了表征,比较了这3种碳纤维的微观结构差异,并分析了这些差异对力学性能的影响。结果表明,T700G碳元素含量较高,氮元素含量较低,它的石墨微晶尺寸较大,取向度较高,这是它比T700S拉伸模量高但断裂伸长率低的原因;UT500的表面结构与断面结构不如T700S和T700G好,微晶尺寸也较小,但它的直径略细,而且石墨微晶内（002）晶面排列比T700S和T700G更规整,导致UT500的综合力学性能略优于T700S和T700G。

关键词: PAN基碳纤维 , 微观组织结构 , 力学性能

PAN基碳纤维的微观结构与力学性能相关性分析

井敏 , 谭婷婷 , 王成国 , 冯志海 , 杨云华

航空材料学报 doi:10.3969/j.issn.1005-5053.2013.1.014

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.

关键词: 碳纤维 , 微观结构 , 力学性能

宇航级炭纤维评价表征

杨云华 , 潘月秀 , 冯志海 , 石松

新型炭材料

分析了世界各国高性能炭纤维评价表征研究现状，简要总结了中国高性能炭纤维评价表征的进展和存在的问题。介绍了航天领域对炭纤维“指纹”性指标、特征性指标、本征性指标、离散性指标和工艺性指标的评价要求。展望了中国高性能炭纤维评价表征研究发展方向。

关键词: 宇航级炭纤维 , 评价表征 , 航天应用

东丽T800 H与T800 S碳纤维的微观结构比较

井敏 , 谭婷婷 , 王成国 , 冯志海 , 杨云华 , 潘月秀

材料科学与工艺 doi:10.11951/j.issn.1005-0299.20150208

东丽T800H和T800S是分别采用湿纺和干湿纺制备的两种力学性能相近的碳纤维，为弄清不同纺丝方法对T800级碳纤维微观结构的影响，采用扫描电镜、X射线衍射仪、小角X射线散射仪和高分辨透射电镜对这两种碳纤维进行测试，比较其表面形貌、断口形状和形貌、石墨微晶结构和微孔结构等．研究结果表明，湿纺制备的T800H比干喷湿纺制备的T800S的表面粗糙、断口圆度差、原纤尺寸较大、石墨微晶致密度差且发育不完善、内部微孔尺寸大、石墨微晶条带韧性差，这正是T800H的拉伸强度和断裂伸长率不如T800S的重要微观结构因素，但T800H的石墨微晶取向度不如T800S，孔隙率略高于T800S．

关键词: 碳纤维 , 微观结构 , 力学性能 , 表面形貌 , 孔结构 , 石墨微晶

3种高强中模型PAN基碳纤维的微观结构比较

井敏 , 谭婷婷 , 王成国 , 冯志海 , 杨云华 , 潘月秀

功能材料 doi:10.3969/j.issn.1001-9731.2014.08.006

采用扫描电子显微镜、X 射线衍射仪、透射电子显微镜、小角X射线散射仪对国产的两种高强中模型碳纤维与日本东丽 T800 H 碳纤维的结构进行表征,比较了它们的表面形貌、断面形貌、石墨微晶结构和微孔结构。结果表明,国产的高强中模型碳纤维的表面形貌优于日本 T800H,但在断面形貌、石墨微晶结构和微孔结构等微观结构上仍有一定差距,需从工艺上进行改进。

关键词: 碳纤维 , 微观结构 , 力学性能

RTM成型聚酰亚胺复合材料研究

余瑞莲 , 汪明 , 李弘瑜 , 杨云华 , 冯志海

宇航材料工艺 doi:10.3969/j.issn.1007-2330.2008.02.002

以苯乙炔封端聚酰亚胺树脂为基体,采用高温R1M工艺复合成型了T300碳布增强聚酰亚胺层合板,复合材料的Tg达351℃(DMA),材料在300℃弯曲强度保持率达90%以上,模量保持率达85%以上,层间剪切强度保持率达60%以上.

关键词: 树脂转移模塑 , 苯乙炔封端聚酰亚胺 , 复合材料 , 热性能 , 力学性能

2.5D机织复合材料压缩性能实验与数值模拟

卢子兴 , 周原 , 冯志海 , 杨云华 , 纪高宁

复合材料学报 doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20140331.002

为了研究2.5D机织复合材料的压缩损伤和失效机制,验证双尺度渐进损伤有限元数值模拟方法的有效性,对这类复合材料分别沿经纱方向和纬纱方向进行了准静态压缩实验,获得了其相应的应力应变曲线,并测定了材料的初始弹性模量和极限强度.在此基础上,利用双尺度渐进损伤有限元数值方法模拟分析了材料的压缩应力-应变响应和损伤演化行为,取得了与实验吻合较好的模拟结果.结果表明:2.5D机织复合材料在纬向压缩下的主要失效模式是纬纱的轴向压溃与断裂,可获得相对较高的压缩强度;但在经向压缩下,经纱因弯曲会承受附加弯矩作用,从而对周围基体造成挤压,故在经纱轴向断裂之前容易出现经纱之间基体的压溃和纱线之间的分层开裂,使强度降低,不利于发挥纤维的承载优势.

关键词: 2.5D机织复合材料 , 力学性能 , 压缩实验 , 数值模拟 , 渐进损伤

三种T700级碳纤维及其复合材料性能比较

李桂洋 , 李健芳 , 杨云华 , 郭鸿俊 , 孙宏杰

宇航材料工艺 doi:10.3969/j.issn.1007-2330.2016.04.008

对MT700、T700-A及T700-B三种碳纤维拉伸性能、表面形貌、单向板力学性能及网格加筋圆筒轴压稳定性进行逐级对比研究.结果表明:MT700碳纤维拉伸性能达到同级别进口碳纤维水平且具有高模量特征;MT700碳纤维表面均布沟槽的结构特点使得MT700/603复合材料体系表现出良好的界面性能和拉伸-压缩匹配性,单向板压缩强度、层剪强度及弯曲强度均明显高于T700-A/603和T700-B/603;MT700/603网格加筋圆筒轴压破坏强度及模量分别达到870 kN和108.2 GPa,相比于T700-B/603分别提高11.5％和33.1％.MT700碳纤维更适用于制备航天领域结构复杂承力构件.

关键词: MT700碳纤维 , 复合材料 , 力学性能 , 网格加筋圆筒 , 轴压稳定性

PICA中的酚醛树脂热分解机理

柳云钊 , 师建军 , 王筠 , 冯志海 , 杨云华

宇航材料工艺 doi:10.3969/j.issn.1007-2330.2016.06.014

采用TG-FTIR和PyGC-MS联用仪对PICA中酚醛热分解过程和产物进行分析和研究,结果表明,PICA酚醛存在两个明显热失重阶段.第一阶段失重为酚醛小分子解吸附过程,主要为H2O、CO2和HOCH2CH2OH分子;第二阶段主要是由酚醛化学键断裂反应引起,为主要热分解阶段,产物主要为酚类、苯系物和稠环芳烃.经过高温热解后,酚醛基体与高孔隙率碳纤维增强体结合形成疏松多孔且具有一定强度的碳层结构.

关键词: PICA , 酚醛树脂 , 热分解机理 , TG-FTIR , PyGC-MS

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