关于碳纤维复合材料的论文
据外媒New Atlas报道，虽然此前研究人员已开发出“变形 ” 结构材料，但它们通常会加入电磁阀、泵或电机，增加了重量和复杂性。 然而现在，科学家们开发出了一种碳纤维复合材料，只需简单地通电就能改变形状。
这种三层固态材料由瑞典皇家理工学院的一个团队创造，由两片掺杂锂离子的碳纤维组成的三层固态材料，中间夹着一块固体电解质的薄片。
后者更确切的说是 "结构电池电解液"，当低压直流电流通过它时，离子会从碳纤维的一层碳纤维迁移到另一层（通过电解液）。这使得碳纤维的放电层收缩，同时使充电层膨胀。因此，整块材料会向一侧弯曲。即使电流被移除后，复合材料仍然保持这种形状。但是，如果在随后的电荷中，电流被反转，锂离子就会向相反的方向迁移。根据电压的不同，这将导致复合材料向后弯曲，要么恢复到中性的平面形状，要么向另一侧弯曲。
这种材料很轻，但也被认为比铝更硬。一旦进一步开发，它可能会被应用于不需要副翼的变形飞机机翼，或者是改变形状以在不同风速下实现最大效率的风力涡轮机叶片。
“我们已经在结构电池方面进行了一段时间的研究，比如碳纤维复合材料也能像锂离子电池一样储存能量，”该研究论文的共同作者Dan Zenkert教授说。“现在，我们进一步发展了这项工作。我们期望它能导致仅通过电控制改变形状的材料，也是轻质和刚性的材料，从而产生全新的概念。”
这篇论文最近发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。
从力学性能讲环氧的最好，而且日本的碳纤维上江剂也是基本满足环氧类的，但是在中国国内，上将剂的水平还是相对比较低的，一来国内碳纤维行业是个技术密集型产业，而且国产碳纤维也没有产业化，二来科研力度和资金的相对薄弱。说实话，乙烯基绝不是最佳的选择，界面的性能没有环氧的好，但是鉴于国内碳纤维的民用化以及低端化，对力学性能等不适要求很高，同时考虑到成型工艺常用手糊和导入，而很少用成本高的预浸料模压或者热压罐成型，比如汽车的引擎盖，尾翼之类，所以才使用乙烯基的树脂。 你需要进行浇注体，碳纤维复合材料力学性能测试，以及SEM电子显微镜查看界面。
你碳纤维的碳字写成炭，差距很大的哦
复合材料碳纤维论文
从力学性能讲环氧的最好，而且日本的碳纤维上江剂也是基本满足环氧类的，但是在中国国内，上将剂的水平还是相对比较低的，一来国内碳纤维行业是个技术密集型产业，而且国产碳纤维也没有产业化，二来科研力度和资金的相对薄弱。说实话，乙烯基绝不是最佳的选择，界面的性能没有环氧的好，但是鉴于国内碳纤维的民用化以及低端化，对力学性能等不适要求很高，同时考虑到成型工艺常用手糊和导入，而很少用成本高的预浸料模压或者热压罐成型，比如汽车的引擎盖，尾翼之类，所以才使用乙烯基的树脂。 你需要进行浇注体，碳纤维复合材料力学性能测试，以及SEM电子显微镜查看界面。
中航泰达对于碳纤维复合材料制品的成型工艺较常见的有5种：裱糊成型工艺，纤维缠绕成型工艺，拉挤工艺，树脂传递模压工艺，编制成型工艺。因为复合材料本身的比强度和比刚度较高，而且在耐高温以及抗疲劳上性能良好，因此碳纤维复合材料制品也继承了这些优点，不仅工艺简单而且性能较好，因此近年来碳纤维复合材料制品的应用范围可以说是不可谓不广，因此在航空航领域，汽车工业，化工以及医学领域都有复合材料的身影，希望对您有所帮助，望采纳
据外媒New Atlas报道，虽然此前研究人员已开发出“变形 ” 结构材料，但它们通常会加入电磁阀、泵或电机，增加了重量和复杂性。 然而现在，科学家们开发出了一种碳纤维复合材料，只需简单地通电就能改变形状。
这种三层固态材料由瑞典皇家理工学院的一个团队创造，由两片掺杂锂离子的碳纤维组成的三层固态材料，中间夹着一块固体电解质的薄片。
后者更确切的说是 "结构电池电解液"，当低压直流电流通过它时，离子会从碳纤维的一层碳纤维迁移到另一层（通过电解液）。这使得碳纤维的放电层收缩，同时使充电层膨胀。因此，整块材料会向一侧弯曲。即使电流被移除后，复合材料仍然保持这种形状。但是，如果在随后的电荷中，电流被反转，锂离子就会向相反的方向迁移。根据电压的不同，这将导致复合材料向后弯曲，要么恢复到中性的平面形状，要么向另一侧弯曲。
这种材料很轻，但也被认为比铝更硬。一旦进一步开发，它可能会被应用于不需要副翼的变形飞机机翼，或者是改变形状以在不同风速下实现最大效率的风力涡轮机叶片。
“我们已经在结构电池方面进行了一段时间的研究，比如碳纤维复合材料也能像锂离子电池一样储存能量，”该研究论文的共同作者Dan Zenkert教授说。“现在，我们进一步发展了这项工作。我们期望它能导致仅通过电控制改变形状的材料，也是轻质和刚性的材料，从而产生全新的概念。”
这篇论文最近发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。
你碳纤维的碳字写成炭，差距很大的哦
碳纤维材料的研究论文
今年的赛车车身是用什么材料做的?由 寒冰皇冠 发表在虎扑·F1赛车场
F1赛车的底盘采用碳化纤维.
[赛车车身质材]；1、碳素夹层板，为制造车壳，复合材料专家把铝制蜂窝结构夹在两块碳素纤维板之间，然后在真空炉中使之聚合，结果这种板材比普通铝板重量轻1倍，强度高1倍。2、诺梅克斯（NOMEX）蜂窝结构，诺梅克斯蜂窝结构用于车壳的狭窄部分，例如鼻锥形车头。虽然刚性不如铝，但它较轻，柔性好，容易加工 参考：碳纤维素碳纤维素 车身也是用碳纤维材料做的。...BRAUN,CULLMANN,REFLECTA这几家德国老牌器材公司现在的日子有些不太好过,展台基本没有什么观众,也很少有客户,与那...的方向盘,车身全都都是碳纤维材料。... 碳纤维材料碳纤维素 F1赛车车身是钛合金制造的！我曾经编发这样一篇文章，现在摘录给你参考。科学发现报曾介绍过F1赛车，读者们深深为赛车运动的极限速度和车手高超的技术所折服。近日，记者在“第八届哈尔滨国际车展”一睹了F1赛车的庐山真面目。为满足读者要求，现将F1赛车全面介绍如下：F1赛车钛合金造一级方程式大奖赛俗称F1，是从国际汽联1950年起所举办的“国际汽联世界冠军赛(The FIA World Championship)”开始的。全世界第一场F1大奖赛在英国银石(Silverstone)赛道举行，参赛车辆的规格以1947年出台的规则为依据，引擎最大排气量为4500毫升非增压引擎或者1500毫升机械增压引擎。现在，F1赛车经过长途跋涉后首次抵达哈尔滨，在哈尔滨车展上亮相，运送F1赛车的是美孚公司提供的专用集装箱。据悉，采用钛合金制成的这台F1赛车是02款，是迈凯伦·梅赛德斯车队的专用车，全车重量652公斤，车身高73厘米，正常时速为360公里。价值100万英磅，约合人民币1500万元。F1赛车的到来，给广大车迷创造了零距离真实感受F1赛车的难得机遇，观看F1赛车的同时，还可模拟驾驶F1赛车。大庆、齐齐哈尔、牡丹江、佳木斯等地的众多车迷爱好者及协会组织了多个团队，来哈尔滨车展专程观看F1赛车，并购买F1赛车1：18模型作为参观本次F1赛车的留念。参考文献：科学发现报2005年9月6日封底碳纤维材料碳纤维素碳纤维材料 [赛车车身质材]；1、碳素夹层板，为制造车壳，复合材料专家把铝制蜂窝结构夹在两块碳素纤维板之间，然后在真空炉中使之聚合，结果这种板材比普通铝板重量轻1倍，强度高1倍。2、诺梅克斯（NOMEX）蜂窝结构，诺梅克斯蜂窝结构用于车壳的狭窄部分，例如鼻锥形车头。虽然刚性不如铝，但它较轻，柔性好，容易加工. 碳纤维材料做的。F1赛车采用的单壳体车身称得上是现代工程的杰作，它由碳纤维和蜂窝状铝板材料在车体模型上“粘贴”成型后，经过高温高压下结合而来。有人乐称其为“三明治”结构：两外层为碳纤维，中间是蜂窝状铝板。此外，在车身某些地方（如打孔处），还使用了吐弗诺（tufnol）（现代防弹衣的用料）以实现局部加固。碳纤维材料碳纤维碳纤维素做的.碳纤维素的材料碳纤维素碳纤维材料 碳纤维F1赛车的碳纤维层数平均是12层，另外在最中央的部分铺设蜂巢结构压缩而成碳纤维 碳纤维材料
材料力学小论文圆形薄板小挠度不同约束下的挠度计算分析 12151196 背景在材料力学课程中，第七章主要内容是梁的弯曲变形，通过对梁进行有限元 分析，导出了梁在不同约束、不同受力情况下的小挠度公式。但是在实际的工程 应用中，还有另外一种比较常见的情况——薄板的受力，书中没有讨论。本文将 就一种特殊情况，即圆形薄板受均布载荷情况下的小挠度计算分析。 建模计算分析 圆形薄板的受力模型及其基本假设 查阅相关资料，并结合书本知识，先讨论均布载荷为横向轴对称的情况，并 做出如下基本变形假设： 板弯曲时其中面保持中性，即板中面内各点无伸缩和剪切变形，只有沿中面法线 变形前位于中性面法线上的各点，变形后仍位于弹性曲面的同一法线上，且法线上各点间的距离不变； 平行于中性面的各层材料互不挤压，即板内垂直于板面的正应力较小，可忽略不计。 则据此，使用有限元法可以推得受轴对称横向载荷圆形薄板小挠度弯曲微分 方程为： 为距圆心距离为r处的横向剪力，对D 其中h为圆形薄板的厚度，μ 为材料的泊松比。 圆形薄板内力计算和挠度、转角方程 将圆形薄板加上集度为q 的均布载荷，如图所示： 则由静力学平衡方程有： 对上式中的变量r连续三次积分得： 由于r=0处的w应该为有限值，则应该有C2=0，最终得到： 其中C1、C3需由边界调节确定。 几种不同约束条件下的计算 圆周处为固定支座 由于圆周处的约束为固定支座，不允许有挠度和转角，则有边界条件 64所以有圆周固定支座的转角、挠度方程为： 圆周处为简单支座（不约束转角） 此时有约束条件： 圆心处为固定或简单支座 若为固定支座，此时有约束条件： 周处为简单支座的情况下，圆周处不限制转角，这与圆心处有约束的情况相同，则用可以得到这两种圆心约束的情况下，挠度、转角方程的值与 中互为相反 分析与总结 受均布载荷的圆形薄板不同约束下的挠度 因为圆心的约束情况可以等效于圆周简单支座约束，所以本部分只讨论前两 种约束的挠度。 固定支座时，最大挠度在中心，为： 64简单支座时，最大挠度在中心，为： 结果分析 可见固定支座时的最大挠度要小于简单支座时的情况，所以若要减小变形，应采用固定支座的约束形式，工程中一般使用的都是介于固定和简 单之间的约束。 在板材的材料和载荷都确定的情况下，减小半径和增加板的厚度都能够减小挠度，从而减小变形。 总结 本文通过查阅相关文献得到受均布载荷圆形薄板挠度的相关计算公式，再应 用到两种简单的约束条件下，得到了挠度的计算公式。但是由于模型约束强度选 取不同，简单支座的挠度计算公式与资料中的结果有差别，但误差并不大，在一 定范围内可以得到好的结论。
多功能纤维复合材料论文
高性能纤维性能分析【摘要】分析了碳纤维、超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑 (POB)纤维和 M5 纤维等高性能纤维的重要特性以及它们的应用状况。 【关键词】高性能纤维;先进复合材料;分子结构;重要特性;应用 [中图分类号]TS102，528 [文献标识码]A [文章编号]1002-3348（2005）01-0054-04 高性能纤维 (High-Performance Fibers)是从 20 世纪 60 年代开始研发并推广的纤维材 料， 它的出现使传统纺织工业产生了巨大变革。 所谓高性能纤维是指有高的拉伸强度和压缩 3 强度、耐磨擦、高的耐破坏力、低比重(g/m )等优良物性的纤维材料，它是近年来纤维高分 子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。 高性能纤维可用于防弹服、 蹦床布等特种织物的加 工及纤维复合材料中的加固材料，其发展涉及许多不同的领域。本文分析和比较了碳纤维、 超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维、M5 纤维等高性能 纤维的特性以及它们的应用状况。 1 高性能纤维 1·1 高性能纤维分类 无机纤维:碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等。 有机纤维:超高强聚乙烯纤维(HPPE)、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO) 纤维、M5 纤维等。 1·2 碳纤维 碳纤维的生产始于 20 世纪 60 年代末 70 年代初， 由有机纤维如腈纶(PAN)纤维、 粘胶纤 维或沥青纤维经预氧化、 炭化和石墨化加工而成。 碳纤维的石墨六方晶体结构决定了其强度 大、模量高等优良性能，如日本东丽公司生产的 T-400 碳纤维，拉伸强度可达 ，断 裂伸长率为 。碳纤维不燃烧，化学性能稳定，不受酸、盐等溶媒侵蚀。 1·3 超高强聚乙烯纤维 高强高模聚乙烯在 20 世纪 70 年代出现， 具有超高分子量， 高取向度， 且分子间距很近， 3 使纤维具备高强高模的特征， 其密度具有 ， 是唯--能浮在水面上的高强高模纤维。 除此之外，其他机械性能亦比较突出，如良好的韧性和耐疲劳性能，耐高速冲击性等。 1·4 芳香族聚酰胺纤维 20 世纪 70 年代，人们开始从事液晶态纺丝技术的研究，用于纺制高性能纤维，与普通 纺丝的分子结构截然不同，液晶态纺丝时形成的分子链只有刚棒状高取向的有序结构。 图 1 液态高聚物分子的构型示意图 (a)为典型普通大分子，为无规则线团;(b)为刚性大分子， 在没有良好侧向作用和导向情况下的状态;(c)为无规的棒状 液晶;(d)为向列型液晶 芳香族聚酰胺是最为人所熟知的，通过液晶纺丝纺制的高性能纤维，如 Kevlar(聚对苯 二甲酰对苯二胺纤维)、 Twaron(聚对苯二甲酰间苯二胺纤维)、 Technora(聚对苯二甲酰对苯 二胺纤维)等，如图 3 所示，为芳香族聚酰胺高结晶和高取向分子结构。这类纤维性能比较 均衡，具有高强伸性能， 高韧性、耐腐蚀、耐冲击、较好的热稳定性，不导电，除了强酸和强碱外，具有较强的抗化 学性能。 图 3 芳香族聚酰胺晶体结构图 聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维 1998 年国际产业纤维展览会上，日本东洋纺展出了商品名为 Zylon 的 PBO 纤维，其化 学名为聚对苯撑苯并双恶唑，化学结构为: 1·5 PBO 纤维采用液晶纺丝法纺丝，由苯环和苯杂环组成的刚棒状分子结构以及分子链的高 取向度， 决定了它的优良性能。 PBO 初纺普通丝(AS 丝-标准型)就具有 以上的强度 和 以上弹性模量， 经热处理后可得到强度不变、 模量达 的高模量丝 (HM 丝-高模量型)。PBO 作为一种新型高性能纤维，具有高强度、高模量、耐热性、阻燃性 4 大特点，其强度与模量相当于 Kevlar (凯夫拉)的 2 倍，限氧指数(L01)为 68，热分解温 度高达 650℃，在有机纤维中为最高，被认为是目前具有最高耐热性能的有机材料之一。 表 1 PBO 纤维的性能 性能 PBO 一 AS PBO—HM 密度(g/cm3) 抗拉强度(GPa) 拉伸模量(GPa) 180 280 断裂延伸率(%) 热分解温度(℃) 650 650 L01(%) 68 68 表 2 PBO 纤维与其他纤维的主要性能比较 性能 PBO-HM Kevlar-49 宇航级碳纤维 密度(g/cm ) 纤维直径(?m) 抗拉强度(Gpa) 拉伸模量(CPa) 断裂延伸率(%) 3 24 280 12 115 6 230 热分解温度(℃) 650 550 一 1·6 M5 纤维 PBO 纤维推出的几年后，阿克卓·诺贝尔(Akzo Nobel)公司开发了一种新型液晶芳族杂 环聚合物:聚[2,5-二烃基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑]，简称 "M5"或 PlPD，化学结构为: M5 纤维的结构与 PBO 分子相似——刚棒结构。 M5 分子链的方向上存在大量的-OH 和-NH 在 基团，容易形成强的氢键。如图 4 所示，与芳香族聚酰胺晶体结构不同，M5 在分子内与分 子间都有氢键存在，形成了氢键结合网络。 图 4 为 M5 纤维沿分子链轴方向的晶体结构，虚线为氢键。 图 4 M5 晶体结构 比较图 3 与图 4 可以清楚地看出，M5 大分子所形成的双向氢键结合的网络，类似一个 蜂窝。这种结构加固了分子链间的横向作用，使 M5 纤维具有良好的压缩与剪切特性，压缩 和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最。 2 高性能纤维特性分析比较 碳纤维石墨层面上碳-碳共价交键的存在，使作用于碳纤维上的应力，从一个石墨层转 移到相邻层面， 这些共价交键保证了碳纤维具有高的拉伸模量和压缩强度。 但这些共价键为 纯弹性键，一旦被打破，不可复原，即不显示任何屈服行为。所以碳纤维受力时，应力-应 变曲线是线性关系，纤维断裂是突然发生的。 有机纤维的性能取决于分子结构、分子链内键及分子链间结合键。如前所述，超高强聚 乙烯纤维、PBO 纤维都具有优良的性能，但由于超高强聚乙烯纤维大分子链间的结合键为弱 的范德华键，使其纤维易产生蠕变，压缩强力较低，另外超高强聚乙烯纤维耐热性和表面粘 合性有限，因而不适合用作加固纤维。而 PBO 纤维也因大分子链间没有形成氢键结合、作用 力较弱，使得其压缩和扭曲性能较低，加之纤维表面惰性强，与树脂的结合能力较差，在复 合材料成型过程中，有明显的界面层，从而影响也限制了 PBO 的应用。 芳香族聚酰胺纤维高结晶度、高取向度的分子结构，使其具有高强伸性能，也是由于大 分子链间弱的作用力 (范德华键)，造成大分子链间剪切模量及压缩强度低。芳香族聚酰胺 纤维由氢键结合成的薄片状结构在受压缩载荷作用时易塑性变形， 薄片相对容易断开， 在严 重过载时会出现原纤化，最终导致压缩失效。 分子链间结合键以 M5 比较理想， M5 大分子间和大分子内的 N-H-O 和 O-H-N 的双向氢 在 键结构，是其具有高抗压性能的原因所在，热处理后的 M5 纤维，拉伸模量可达 360GPa，拉 伸强度超过 4GPa，剪切模量和抗压强度可达 7GPa 和 。此外 M5 而大分子链上含有羟 基，使它与树脂基体的粘结性能优良，采用 M5 纤维加工复合材料产品时，无需添加任何特 殊的粘合促进剂，且具有优良的耐冲击和耐破坏性。有资料显示，以 M5 为加固纤维的复合 材料，在压缩过载的情况下，测试样品仍能继续承受显著的(压缩)载荷，与之相比，碳纤复 合材料会粉碎，而芳香族聚酰胺复合材料则会被挤成纤丝状薄片(原纤化)。如图 5、图 6 分 别为一个碳纤维和一个 MS 纤维复合材料的失效测试条，显示了脆性与韧性失效之间的明显 差异。此外，M5 纤维的刚棒结构又决定了它有高的耐热性和高的热稳定性，空气中热分解 温度达到了 530℃，超过了芳香族聚酰胺纤维，与 PBO 接近，极限氧指数（LOI）为 59，在 阻燃性方面也优于芳纶。 图 5 碳纤维复合材料测试条的失败 图 6 M5 纤维料测试条的失败 表 1 为几种高性能纤维力学及物理特性。 表 1 高性能纤维的力学和物理特性 特性 高 强 度 超高强聚 高 模 量 芳 香 族 高 模 量 高模量 M5 纤 碳纤维 乙烯纤维 聚酰胺纤维 PBO 纤维 维（实验值） 抗拉强度(GPa) 伸长率(%) 拉伸模量(GPa) 压缩强度(GPa) 压缩应变(%) 密度(克/cm ) 标准回潮率(%) 限氧指数（LOI） 3 230 一 一 一 一 一 115 29 280 68 330 59 空气中热老化起 800 150 450 550 530 始温度(℃) 从表 1 看，M5 纤维的各种性能指标都接近或超过其它高性能纤维，为综合性能优良的 高性能纤维。 3 应用与前景 目前超高强聚乙烯纤维的应用主要是加工防弹用特种织物、防弹板、渔业用绳网、极低 温绝缘材料、混凝土补强加固用试验片材、光缆补强材料、降落伞绳带、汽车保险杠等。芳 香族聚酰胺纤维常见的品种 Kevlar、Twaron、Technora 纤维等，主要应用有作为复合材料 的增强体、渔业工业等用绳网、防弹服、防弹板、头盔、混凝土补强材料等。碳纤维的优良 特性使其广泛用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料，应用于宇宙机械、电波望远镜 和各种成型品，还有直升飞机的叶片、飞机刹车片和绝热材料、密封填料和滤材、电磁波屏 蔽材料、防静电材料、医学材料等。PBO 纤维从问世以来就受到人们的关注，其应用主要有 防冲击方面的加固补强材料、复合材料中的加固材料，用于防护的防弹服、防弹头盔、消防 服、高性能及耐高温传动带、轮胎帘子线、光纤电缆承载部分、架桥用缆绳、耐热垫材等。 与各种高性能纤维相比，M5 纤维的综合性能更优越，这使得它的应用领域更广泛。尤 其是 M5 纤维的抗冲击力和耐破坏性，使它在制造经济、高效的结构材料方面有广阔的应用 前景，如应用于航空航天等高科技领域，在高性能纤维增强复合材料中 M5 也具有很强的竞 争力。当前 M5 纤维的研究比较活跃，随着研究的深人，其性能和应用将得到不断的提高和 拓展。 高性能纤维的不断创新是高性能产业用纺织品及复合材料用纤维领域的重要进步， 随着 世界高新技术、纤维合成与纺丝工艺的发展，以及军事、航空航天、海洋开发、产业应用的 迫切需要，高性能纤维的开发与应用前景将更为广阔。新型高性能纤维M5的研究与应用摘要:本文介绍了一种新型液晶芳族杂环聚合物,聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2,6-diimidazo(4,5-b:4',5'-e)pyridinylene-1,4(2,5-dihydroxy)phenylen],PIPD}纤维(简称M5).简述了M5纤维的制作方法,M5纤维特殊的分子结构特征,并通过与其它高性能纤维的比较,阐述了M5纤维优良的性能,特别是其良好的压缩与剪切特性.除此之外,M5纤维的高极性还使其更容易与各种树脂基体粘接,这使M5纤维的综合机械性能比目前其它高性能纤维都好.文中还展望了M5纤维的应用前景.前言近年来,随着对有机高性能纤维的不断深入研究,在刚性高性能纤维领域已经取得了很大的进展.但大多数高性能纤维,因分子间结合力的薄弱而导致某些力学性能上的不足,如PBO纤维大分子链间较弱的结合力,使其压缩和扭曲性能较差.纤维材料的压缩性能,主要取决于纤维大分子之间的相互作用程度[1,2].通常纤维扭转模量可作维表征大分子之间相互作用程度的一个量度.因此,如何增强大分子链之间的相互作用,已成为进一步强化刚性聚合物纤维力学性能的一个重要问题.作为Akzo-Nobel实验室的研究成果,一种新型的高性能纤维,即著称的M5已经被研究出来.聚合物是聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2,6-diimidazo(4,5-b:4',5'-e)pyridinylene-1,4(2,5-dihydroxy)phenylen],PIPD}纤维(简称M5)[3].由于M5纤维沿纤维径向即大分子之间存在特殊的氢键网络结构,所以M5纤维不仅具有类似PBO纤维的优异抗张性能,而且还显示出优于PBO纤维的抗压缩性能.1高性能纤维 单体的选择及M5的合成[4]在M5聚合物的制备过程中,其关键步骤是单体2,3,5,6-四氨基吡啶(2,3,5,6-tertraaminopyridine,TAP))的合成.TAP可由2,6-二氨基吡啶(2,6diaminopyridine,DAP)经硝化还原后制成,反应方程式如下所示:在M5的合成过程中,TAP需经盐酸化处理并以盐酸盐形式参与聚合反应.若TAP直接以磷酸盐的形式参与反应,不但可以避免盐酸腐蚀作用,还可以加快聚合反应速度,但却易发生氧化作用.另一单体2,5-二羟基对苯二甲酸(2,5-Dihydroxyterephthalicacid,DHTA)的合成也是制备M5聚合物的重要环节,可由2,5-二羟基对苯二甲酸二甲酯(2,5-dihydroxy-1,4-dimethylterephthalate,DDTA)水解后制得,反应方程式如下所示:M5纤维的聚合过程与聚对苯撑苯并二恶唑(poly(p-phenylenebenzobisoxazole),PBO)相似,可将TAP和DHTA两种单体按一定的等当比同时加入到聚合介质多聚磷酸(polyphosphoric acid,PPA)中,脱除HCI后逐渐升温至180℃,反应24h,得到M5聚合物,反应方程式如下所示:2 M5的分子结构特征及聚合物的聚集态结构 M5的分子结构特征M5纤维在分子链的方向上存在着大量的-OH和-NH基团,容易在分子间和分子内形成强烈的氢键.因此,其压缩和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最.M5纤维的刚棒状分子结构特点决定了M5纤维具有较高的耐热性.由于M5大分子链上含有羟基,M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接.图1热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图[5].图2热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图[5].图1和图2都显示了热处理后PIPD纤维的微观二维结构,即在大分子间和大分子内分别形成了N-H-O和O-H-N的氢键结构,这种双向氢键的网络结构正是M5纤维具有高抗压缩性能的原因在.图1 热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图图2 热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图 M5的聚集态结构图3 PIPD-AS沿C轴方向的分子结构示意图如图3所示,为含有21%左右水分子的PIPD-AS纤维的结晶结构.由于PIPD-AS纤维中存在着大量的水,因而使得PIPD-AS纤维有很大的质量热容,而且具有良好的耐燃性能.表2和表3所列出的实验结果也证实了这一结论[16,19].如图4所示,为不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图[16].从图4可以看出,PIPD-AS纤维在热处理过程中晶体中的水分被脱出,变成无水聚合物晶体,从而在垂直于纤维方向的平面内形成二维氢键网状结构.有实验表明,经过热处理后PIPD纤维的结晶度和取向度都有很大的提高.图4 不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图Klop EA等[22]通过PIPD晶体结构的X射线衍射实验研究发现,因PIPD试样的处理温度不同,在PIPD的分子内部可出现不同形式的结晶结构—单斜结晶晶胞和三斜结晶晶胞(如图5和图6所示).单斜和三斜的晶胞参数分别为:单斜结晶: a= ,b= ,c= ,=90°,=107°,=90°三斜结晶:a= ,b= ,c= ,=84,=110°,=107°Takahashi等[20,21]采用中子方法测得的PIPD-HT晶胞参数为:a= ,b= ,c= ,=84°,=°,空间结构为P21/,单斜晶胞区别于三斜晶胞的不同之处在于,三斜晶胞的氢键网络结构仅仅是靠沿对角线平面的大分子连接的,而单斜晶胞可在垂直于纤维方向的平面内形成了二维氢键网络结构,显然这种二维氢键网络结构,使得M5具有其它高性能纤维所无法比拟的高剪切强度,剪切模量和压缩强度.图5 PIPD单斜晶胞在ab面和ac面上的投影 图6 PIPD三斜晶胞在ab面上的投影3 M5纤维的纺丝工艺[9,16] M5纤维的成形M5纤维的纺丝是将质量分数为18~20%左右的PIPD/PPA纺丝浆液(聚合物的MW为×104~×105)进行干喷湿纺,空气层的高度为5-15cm,纺丝温度为180℃,以水或多聚磷酸水溶液为凝固剂,可制成PIPD的初生纤维.其中,实验用喷丝孔直径范围为65-200 m,喷头拉伸比取决于喷丝空的直径,可达70倍,所得纤维直径为8-14 m.所得M5的初生纤维需在热水中进行水洗,以除去附着在纤维表面的溶剂PPA,并进行干燥.图7 M5纤维的热处理示意图 M5纤维的热处理为了进一步提高初生纤维取向度和模量,对初生纤维在一定的预张力下进行热处理,如图7所示.在这一过程中,M5纤维取向度将伴随着由其分子结构的改变引起的剪切模量的增加而增大.对M5初生纤维进行热处理能够改善纤维的微观结构,从而提高纤维的综合性能.M5初生纤维再进一步用热水洗涤除去残留的多聚磷酸水溶液(PPA)和干燥后,在氮气环境下于400℃以上进行大约20s的定张力热处理,最终可得到高强度,高模量的M5纤维.在此需要特别指出的是,如果热处理温度过低或处理时间过短,则PIPD-AS和PIPD-HT的转变是可逆的.因此,热处理温度与热处理时间对M5纤维的模量影响很大.4 M5纤维的性能 力学性能图8 PIPD-AS和PIPD-HT纤维的应力-应变曲线图如图8所示,热处理后的PIPD纤维同PIPD的初生纤维相比较,二者的力学性能截然不同,PIPD-AS纤维存在屈服,而PIPD-HT纤维不存在这种现象.Lammwers M[18]等研究发现,经过200℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的提高到,而经过400℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的提高到.显然对于PIPD的初生纤维来讲,并非热处理温度越高越好.通过用偏光显微镜观察发现:在400℃热处理的纤维中存在裂纹,这可能是导致压缩强度下降的原因,因此,热处理温度不宜太高.表1[9-14]给出了几种高性能纤维的力学性能和其它性能的对比数据,其中的力学性能包括拉伸强度,断裂伸长,模量以及抗压缩强度等.与其它3种纤维相比,M5的抗断裂强度稍低于PBO,远远高于芳纶(PPTA)和碳纤维,其断后延伸率为;与其它高性能纤维相比,M5纤维的模量是最高的,达到了350GPa;M5的压缩强度低于碳纤维,但却远远高于Twaron-HM纤维和PBO纤维,这归因于M5的二维分子结构[17].表1 M5纤维与其它高性能纤维的比较纤维拉伸强独/Gpa断裂伸长/%初始模量/ Gpa压缩强度/ Gpa压缩应变/ %密度/()回潮率/%纤维空气中的热稳定性/℃LOI/%电导性抗冲击性抗破坏性编制性能耐紫外性Twaron-HM45029-++++-C-HS800N/A++------++PBO55068-++N/A+/---M5530>50-+++++++M5纤维特殊的分子结构,使其除具有高强和高模外,还具有良好的压缩与剪切特性,剪切模量和压缩强度分别可达7GPa和,优于PBO纤维和芳香族聚酰胺纤维,在目前所有聚合物纤维中最高.图9 M5纤维的轴向压缩SEM图一般来讲,当高性能纤维受到来自外界的轴向压缩力时,其纤维内部的分子链取向会因轴向压缩力的存在而发生改变,即沿着纤维轴向出现变形带结构.而对M5纤维来讲只有当这种轴向压缩力很大时才会出现这种结构[11].如图9所示,当M5纤维受到外界的轴向压缩力时,压缩变形后的M5纤维中也会出现一条变形带结构,但与其它高性能纤维(如PBO)相比较,M5纤维的变形程度要小很多. 阻燃性能表2 PIPD-AS和PIPD-HT纤维耐燃性能的重要参数[5]试样PHRR①(kWm-2)TTI②(s)SEA③FPI④(sm2kW-1)残留量(%)注:①热量释放最大速率(PHRR);②引燃时间(TTI);③比消光面积(SEA);④耐燃性能指数(FPI)表2所列数据是热量计热流为75kW/m2时测得的,也就是在试样表面温度为890℃左右时测得的值.纤维试样放在一块1cm2的线网上.试样原始重量在之间.从表2可以看出,PIPD-AS纤维热量释放最大速率(PHRR)为,也就是说单位时间内PIPD-AS释放出最小的热量,与其它高聚物相比是一种较好的阻燃剂用材料.PIPD-AS纤维的点燃时间最长为77s,远高于Nomex纤维.SEA是用来衡量单位物质燃烧时产生的烟雾量,PIPD-AS纤维达到了224m3/kg,而Nomex纤维为38670m3/kg,二者相比PIPD-AS纤维的SEA值远低于Nomex纤维,说明PIPD-AS纤维燃烧时产生的烟雾量要远少于Nomex纤维.同表2中的其它高聚物相比,PIPD-AS纤维的耐燃性能指数(FPI)最高为.从表2中各项耐燃性能参数可以看出PIPD纤维在耐燃性方面,要好于其它高性能纤维,即PIPD纤维在耐燃性方面将具有较好多应用前景.M5纤维的刚棒状分子结构决定了它具有较高的耐热性和热稳定性.从表2中可以看出,PIPD-HT纤维具有与聚对苯亚基苯并双嗯哇(PBO)纤维相似的FPI值,但它在燃烧过程中更不容易产生烟.M5在空气中的热分解温度为530℃,超过了芳香族聚酰胺纤维,与PBO纤维接近.M5纤维的极限氧指数(LOI)值超过50,不熔融,不燃烧,具有良好的耐热性和稳定性[7]. 界面粘合性能与PBO,聚乙烯或芳香族聚酰胺纤维相比,由于M5大分子链上含有羟基,M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接.采用M5纤维加工复合材料产品时,无需添加任何特殊的粘合促进剂.M5纤维在与各种环氧树脂,不饱和聚酯和乙烯基树脂复合成形过程中,不会出现界面层,且具有优良的耐冲击和耐破坏性[6,8]. 热力学性能图10 四种不同含水量M5纤维的DSC扫描图图10为[19]等用SetaramC80D热量计测得的四种不同含水量M5纤维的DSC谱图.研究发现将1g试样材料放在一个开放的测试槽内,以℃/min的速度,在30℃-200℃范围内得到一张扫描图,如图5所示.从DSC谱图可以看出,四种不同含水量M5纤维的吸热峰面积及位置与开放测试槽内水分的蒸发有关.从表3可以看出,含有结晶水的M5初生纤维的热吸收值与不含结晶水的M5纤维的热吸收值之间存在着较大的差别,而PIPD初生纤维和PIPD HT试样的热吸收值之间几乎没有什么差别.通过以上研究发现完全干燥的PIPD初生纤维的晶体结构与PIPD-HT试样结构类似.表3 不同含水量的PIPD纤维的热吸收值试样热吸收值(J/g)PIPD初生纤维(含水量20%)637PIPD初生纤维(干燥)163PIPD HT(含水量7%)378PIPD HT(干燥)1855 应用及展望作为一种先进复合材料的增强材料,M5纤维具有许多其它有机高性能纤维不具备的特性,这使得M5纤维在许多尖端科研领域具有更加广阔的应用前景;M5纤维可用于航空航天等高科技领域;用于国防领域如制造防弹材料;用于制造运动器材如网球拍,赛艇等.M5纤维特殊的分子结构决定了其具有许多高性能纤维所无法比拟的优良的力学性能和粘合性能,使它在高性能纤维增强复合材料领域中具有很强的竞争力.与碳纤维相比,M5纤维不仅具有与其相似的力学性能,而且M5纤维还具有碳纤维所不具有的高电阻特性,这使得M5纤维可在碳纤维不太适用的领域发挥作用,如电子行业.由于M5大分子链上含有羟基,M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接.正是由于M5纤维具有许多其他高性能纤维所无法比拟的性能和更加广阔的应用前景,这使得众多的科研工作者都积极地致力于M5纤维的研究.相信在不久的将来,随着对M5纤维研究的进一步深入,作为新一代的有机高性能纤维—M5纤维必将得更加广泛的应用.
纤维复合材料模拟研究论文
据外媒New Atlas报道，虽然此前研究人员已开发出“变形 ” 结构材料，但它们通常会加入电磁阀、泵或电机，增加了重量和复杂性。 然而现在，科学家们开发出了一种碳纤维复合材料，只需简单地通电就能改变形状。
这种三层固态材料由瑞典皇家理工学院的一个团队创造，由两片掺杂锂离子的碳纤维组成的三层固态材料，中间夹着一块固体电解质的薄片。
后者更确切的说是 "结构电池电解液"，当低压直流电流通过它时，离子会从碳纤维的一层碳纤维迁移到另一层（通过电解液）。这使得碳纤维的放电层收缩，同时使充电层膨胀。因此，整块材料会向一侧弯曲。即使电流被移除后，复合材料仍然保持这种形状。但是，如果在随后的电荷中，电流被反转，锂离子就会向相反的方向迁移。根据电压的不同，这将导致复合材料向后弯曲，要么恢复到中性的平面形状，要么向另一侧弯曲。
这种材料很轻，但也被认为比铝更硬。一旦进一步开发，它可能会被应用于不需要副翼的变形飞机机翼，或者是改变形状以在不同风速下实现最大效率的风力涡轮机叶片。
“我们已经在结构电池方面进行了一段时间的研究，比如碳纤维复合材料也能像锂离子电池一样储存能量，”该研究论文的共同作者Dan Zenkert教授说。“现在，我们进一步发展了这项工作。我们期望它能导致仅通过电控制改变形状的材料，也是轻质和刚性的材料，从而产生全新的概念。”
这篇论文最近发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。
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在纤维增强注射成型过程中，纤维取向对成型制品的力学性能有很大的影响，使制品的性质呈现各向异性，或在固化制品中产生残余应力而产生翘曲变形。并且，纤维取向也是制品微观结构的主要特征。因此纤维取向的预测，对与纤维取向相关的力学性能进行分析，从而达到预测和控制产品性能的要求，对此类产品的生产具有非常重要的意义。 论文针对短纤维增强注射成型过程，采用数值方法预测纤维增强注射成型制品的取向分布，对纤维增强复合材料熔体流动以及增强纤维的取向进行分析，预测最终制件中的纤维取向分布，不仅可以为产品设计提供重要的依据，还可以建立成型工艺条件与最终制件中的纤维取向之间的定量关系。主要工作包括： (1)理论研究一个浸没在Newton流体中刚性的椭圆形质点(纤维)的动力学特征，分析了纤维在稳态剪切流和简单拉仲流中纤维的运动，解析解表明：剪切流动使纤维沿流动方向排列，而拉仲流动趋向于使纤维沿拉仲方向排列。 (2)重点研究取向张量的性质，取向张量和取向分布函数之间的关系，取向张量的描述精度，以及取向张量的闭合近似理论的精度。 (3)在注射成型流动引起的纤维取向的数值预测中，将短纤维增强的热塑摘要 2-3ABASTRACT 3-5目录 5-7第一章 绪论 注射成型短纤维复合材料纤维取向预测的意义 研究现状 论文的主要工作 9-11第二章 短纤维在悬浮液中的动力学行为 悬浮液中纤维动力学方程 空间中任一线元的变化速率的连续介质力学解 悬浮液中椭圆形纤维动力学方程 稳态剪切流中纤维的运动 稳态剪切流中纤维的运动方程 稳态剪切流中纤维运动周期和轨迹 简单拉伸流中纤维的运动 22-23第三章 纤维取向状态的描述 纤维取向的描述 纤维取向的张量描述 纤维取向张量的演化方程 闭和近似理论 修正的混合闭和近似-模型1 修正的混合闭和近似-模型2 取向张量和流变、力学性质的估计 37-41第四章 纤维增强注射成型取向分布预测 纤维增强注射成型过程的取向行为 注射成型过程的流动分析 控制体积概念 压力场的有限元方程 温度场的有限差分解 熔体前沿位置确定及时间步长 纤维取向的数值分析 纤维取向的数值算例 53-59第五章 结论与展望 59-61参考文献 61-64攻读硕士学位期间发表的主要论文 64-65致谢 65