基于芳纶pulp优化的碳纤维增强树脂基复合材料设计与性能强化研究
批准号:
52102115
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
程飞
依托单位:
学科分类:
无机非金属基复合材料
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
程飞
中文摘要
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP复合材料)因其轻质高强、耐腐蚀及良好的可设计性等优势,在军民两用领域具有巨大应用前景。本项目针对树脂基复合材料树脂粘接层脆性大且存在结构缺陷,易发生剥离和分层等突出问题,提出一种崭新的芳纶pulp薄膜增强技术,解决树脂基复合材料面临的技术瓶颈。研究芳纶pulp形成纤维桥联结构的优化工艺和引入机制;重点研究芳纶pulp对复合材料变温力学性能、抗损伤性能及残余力学性能的作用规律;研究复合材料失效模型的演变规律,揭示芳纶pulp对层间粘接性能的增强机制;探究CFRP复合材料的设计、可控制备和性能调控等科学问题,构建“材料设计-制备工艺-性能强化”的高性能CFRP复合材料优化设计体系,发展简单高效的复合材料强化技术。研究工作将为开发CFRP复合材料增强技术奠定创新性基础,推动高性能CFRP复合材料在重大科技创新与产业转型升级领域的发展及应用。
英文摘要
Carbon fiber reinforced plastic composites (CFRPs) have the huge application prospect in military and civilian fields due to their lightweight and high strength, corrosion resistance and good designability, etc. Aiming at main issues including large brittleness of resin adhesive layer, structural defect of CF/resin adhesive interface, prone to peeling and delamination, this project proposes a novel aramid pulp (AP) ultra-thin film toughening technique to solve the technical bottleneck of resin-based laminated composites. The project focuses on studying the optimized methods and introduction mechanism of formed AP ultra-thin film between plies. The effect law of AP on mechanical properties, resistance to mechanical damage, and residual mechanical properties of CFRPs after damage are studied. The failure mode evolution law of CFRPs is studied, and enhancement mechanism of AP to interlayer adhesive property is revealed. The key scientific issues containing material design, controllable preparation, and performance control of high-performance CFRPs will be discussed, an optimized design system of “Material Design-Manufacturing Process-Performance enhancement” for high performance CFRPs will be established, the simple and efficient interlayer reinforcement technique of CFRPs will also be developed. The relevant researches will establish an innovative theoretical foundation for creating an enhancement technique of high performance CFRPs, and promote the development and application of high-performance CFRPs in major technological innovation and industrial transformation and upgrading.
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP复合材料)因其轻质高强、耐腐蚀及良好的可设计性等优势,在军民两用领域具有巨大应用前景。本项目针对CFRP复合材料存在的树脂粘接层脆性大,易发生剥离和分层等突出问题,提出一种崭新的微纳米芳纶纤维薄膜增强技术,解决以CFRP为主的纤维复合材料面临的技术瓶颈,旨在开发以CFRP为主的高性能纤维复合材料。通过本项目的顺利实施,在层状纤维复合材料微观尺度的粘接界面缺陷问题与粘接性能强化方面形成1项技术的突破和创新,即微纳米芳纶纤维薄膜增强技术。通过外部直接引入微纳米芳纶短纤维到纤维层间,形成虚表面缺陷充分减少、增强纤维无序嵌入、桥连行为有效构建的跨纤维层粘接界面,阐明微纳米纤维超薄膜技术对复合材料粘接界面微缺陷改良与粘接性能强化的作用机制。主要研究内容为:芳纶pulp引入工艺优化研究、芳纶pulp增强的CFRP复合材料力学性能研究、芳纶pulp增强的CFRP复合材料抗冲击性能研究、冲击损伤后CFRP复合材料残余力学性能研究、芳纶pulp对CFRP复合材料的增强机理与复合材料优化设计体系以及芳纶pulp对其他高性能纤维复合材料的作用机制研究。获得的主要结果为:(1)碳纳米管、聚对苯撑苯并二噁唑纤维、石墨烯等其他增强纤维,芳纶pulp在CFRP复合材料冲击前后的抗压强度的优化提升方面具有一些优势。(2)芳纶pulp层间面密度为4至6g/m2时,对CFRP复合材料的抗弯强度、抗压强度、抗冲击性能、冲击损伤后的残余抗压强度增强效果较佳。(3)芳纶pulp对BFRP和BCFRP复合材料的抗弯强度、抗压强度、冲击损伤后的残余抗压强度等性能也具有明显的增强效果。因此,系列研究通过微纳米纤维超薄膜技术制备了以CFRP为主的高性能纤维复合材料,为多场景应用的高性能纤维复合材料的开发提供重要的科学依据和理论基础,为材料学科发展和创新人才培养提供重要支撑。
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