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3D打印仿生多重管状吸能结构碳纤维复合材料及其力学性能

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复合材料学报 2025年

作者：杨方鸿付韫辰钟佳明张代军信中华关博文王成博叶璐黄威北京航发北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室华中科技大学材料科学与工程学院

本文基于马蹄、骨骼等自然界生物组织的管状吸能结构启发，设计并制备了一种仿生多重管状结构的碳纤维复合材料。通过3D打印制造出具有多重管状结构的碳纤维复合材料，并引入紫外光固化技术使柔性聚氨酯树脂在管状结构中固化而形成异质... 详细信息

本文基于马蹄、骨骼等自然界生物组织的管状吸能结构启发，设计并制备了一种仿生多重管状结构的碳纤维复合材料。通过3D打印制造出具有多重管状结构的碳纤维复合材料，并引入紫外光固化技术使柔性聚氨酯树脂在管状结构中固化而形成异质界面，显著提升了材料的韧性和抗冲击能力。实验结果表明，该仿生结构材料在静态压缩测试中展现出延长的屈服阶段和优异的变形恢复能力，比强度和能量吸收密度可达130.6 [MPa/(g/cm3)]和44.6 J/g，高于传统的蜂窝吸能结构；在三点弯曲试验中表现出更长的塑性变形区域，其断裂韧性为碳纤维板的1.54倍；在冲击测试中，裂纹扩展受限于管的分布，并且通过异质界面破坏显著提高吸收能量，避免了材料发生灾难性破坏。该研究为复合材料的抗冲击设计提供了新的仿生策略，尤其在国防、航空航天等需要高韧性、高强度材料的应用领域，具有广泛的应用潜力和前景。

关键词：仿生管状结构 3D打印复合材料异质界面抗冲击性能

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工艺对C/SiC复合材料结构与性能的影响

稀有金属材料与工程 2005年第Z1期34卷 459-463页

作者：张玉娣张长瑞周新贵曹英斌国防科技大学航天与材料工程学院先进陶瓷纤维及其复合材料重点实验室湖南长沙410073 国防科技大学航天与材料工程学院先进陶瓷纤维及其复合材料重点实验室湖南长沙410073 国防科技大学航天与材料工程学院先进陶瓷纤维及其复合材料重点实验室湖南长沙410073 国防科技大学航天与材料工程学院先进陶瓷纤维及其复合材料重点实验室湖南长沙410073

介绍一种化学气相渗透与先驱体浸渍裂解联用(CVI-PIP)的工艺制备碳毡增强SiC复合材料,采用SEM分析复合材料的显微结构,采用三点弯曲法测试复合材料的力学性能,结果显示:在复合材料致密化过程早期,CVI工艺致密化效率明显高于PIP工艺;与... 详细信息

介绍一种化学气相渗透与先驱体浸渍裂解联用(CVI-PIP)的工艺制备碳毡增强SiC复合材料,采用SEM分析复合材料的显微结构,采用三点弯曲法测试复合材料的力学性能,结果显示:在复合材料致密化过程早期,CVI工艺致密化效率明显高于PIP工艺;与完全采用PIP工艺制备C/SiC复合材料相比,采用CVI-PIP工艺可提高复合材料的致密化效率和致密化程度,复合材料残留孔隙率从18.86%下降到5.45%;相应的,C/SiC复合材料的抗弯强度与弹性模量分别从66.43 MPa和38.43 GPa增加到112.16 MPa和68.49 GPa;采用CVI-PIP联用工艺同时能够增加复合材料与其表面CVD涂层的结合性能.

关键词：化学气相渗透先驱体浸渍裂解工艺显微结构力学性能

聚异丙胺基环硼氮烷裂解制备氮化硼及其抗氧化与介电性能

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高等学校化学学报 2011年第5期32卷 1188-1193页

作者：雷永鹏王应德宋永才李义和王浩邓橙谢征芳国防科技大学航天与材料工程学院新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室国防科技大学航天与材料工程学院理学院长沙410073

以异丙胺和三氯环硼氮烷(TCB)为原料,在较温和条件下合成了一种可溶可熔的聚异丙胺基环硼氮烷(PTPiAB),PTPiAB经高温裂解制得六方氮化硼(h-BN).利用元素分析、TGA、FTIR、XRD和网络分析仪等方法对先驱体及裂解产物的组成、结构和性能进... 详细信息

以异丙胺和三氯环硼氮烷(TCB)为原料,在较温和条件下合成了一种可溶可熔的聚异丙胺基环硼氮烷(PTPiAB),PTPiAB经高温裂解制得六方氮化硼(h-BN).利用元素分析、TGA、FTIR、XRD和网络分析仪等方法对先驱体及裂解产物的组成、结构和性能进行了表征.结果表明,PTPiAB的结构中含有B3N3六元环及N—H,C—H和C—N键,其熔点约为70℃.在1000℃NH3和Ar气氛中的陶瓷产率分别为45.9%和52.8%.在NH3气氛中裂解失重主要发生在800℃以下,1000℃左右开始结晶,1800℃时得到氮化硼(BN),其(002)晶面间距为0.334 nm,密度为2.03 g/cm3.该BN表现出了较好的高温抗氧化性能,在900℃以下的空气中增重小于0.3%.此外,室温下测试频率为10 GHz时的介电常数实部和损耗角正切分别为2.48和0.03.

关键词：聚烷胺基环硼氮烷热裂解氮化硼结晶化抗氧化性能介电性能

C/Al2O3复合材料的固体粒子冲蚀行为与磨擦磨损性能

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稀有金属材料与工程 2019年第7期48卷 2323-2329页

作者：范朝阳马青松曾宽宏国防科技大学新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室

以溶胶浸渍热处理技术路线制备的碳纤维布叠层缝合预制件增强Al2O3(C/Al2O3)复合材料为对象,以刚玉粉为介质,研究了复合材料的固体粒子冲蚀行为,按照GB5763-2008规定的条件研究了复合材料的磨擦磨损性能。室温下,复合材料冲蚀率随着冲... 详细信息

以溶胶浸渍热处理技术路线制备的碳纤维布叠层缝合预制件增强Al2O3(C/Al2O3)复合材料为对象,以刚玉粉为介质,研究了复合材料的固体粒子冲蚀行为,按照GB5763-2008规定的条件研究了复合材料的磨擦磨损性能。室温下,复合材料冲蚀率随着冲击角度与送粉量的增大而增加;温度升高,由于机械冲击和热冲击的双重作用,冲蚀率显著变大。在GB5763-2008规定的条件下,C/Al2O3复合材料具有稳定的摩擦系数和很低的磨损率。结合微观形貌分析,探讨了复合材料的冲蚀与磨损机理。得益于连续碳纤维的补强增韧作用,即使基体致密度低于单体Al2O3陶瓷,C/Al2O3复合材料在冲蚀和磨损时不会发生脆性断裂,使用安全性优于单体Al2O3陶瓷。

关键词：氧化铝复合材料冲蚀磨擦磨损

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聚乙二醇对纳米多孔二氧化硅薄膜性能的影响

无机材料学报 2005年第2期20卷 435-441页

作者：王娟张长瑞冯坚国防科技大学航天与材料工程学院新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室湖南长沙410073

以聚乙二醇(PEG)为添加剂,正硅酸乙酯(TEOS)为先驱体,采用溶胶-凝胶法、结合旋转涂胶和超临界干燥等工艺在硅片上制备了纳米多孔SiO2薄膜.利用FTIR、TG-DTA、 AFM和椭偏仪研究了该SiO2薄膜的性能.与未加.PEG的SiO2薄膜相比,加入PEG得到... 详细信息

以聚乙二醇(PEG)为添加剂,正硅酸乙酯(TEOS)为先驱体,采用溶胶-凝胶法、结合旋转涂胶和超临界干燥等工艺在硅片上制备了纳米多孔SiO2薄膜.利用FTIR、TG-DTA、 AFM和椭偏仪研究了该SiO2薄膜的性能.与未加.PEG的SiO2薄膜相比,加入PEG得到的SiO2薄膜表面粗糙度增大,但孔隙率较高,介电常数可降至2.0以下.PEG参与并修饰了 TEOS的溶胶-凝胶过程.加入PEG制备的SiO2薄膜因含有Si-OH基团而呈亲水性,该薄膜经三甲基氯硅烷(TMCS)修饰后为疏水性.

关键词：纳米多孔二氧化硅薄膜溶胶-凝胶聚乙二醇低介电常数

纳米多孔SiO_2薄膜的制备与红外光谱研究

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光谱学与光谱分析 2005年第7期25卷 1045-1048页

作者：王娟张长瑞冯坚杨大祥国防科技大学航天与材料工程学院新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室湖南长沙410073

以正硅酸乙酯为原料, 采用溶胶-凝胶法, 结合旋转涂胶、超临界干燥工艺在硅片上制备了纳米多孔SiO2薄膜. XRD表明薄膜为无定形态; SEM显示薄膜具有多孔网络结构, 其SiO2粒子直径为10～20 nm. 利用FTIR研究了薄膜的结构, 纳米多孔SiO2薄... 详细信息

以正硅酸乙酯为原料, 采用溶胶-凝胶法, 结合旋转涂胶、超临界干燥工艺在硅片上制备了纳米多孔SiO2薄膜. XRD表明薄膜为无定形态; SEM显示薄膜具有多孔网络结构, 其SiO2粒子直径为10～20 nm. 利用FTIR研究了薄膜的结构, 纳米多孔SiO2薄膜含有Si-O-Si与Si-OR结构, 呈疏水性; 该SiO2薄膜热处理后因含有Si-OH基团而呈吸水性; 用三甲基氯硅烷对热处理SiO2薄膜进行修饰可使其呈疏水性, 修饰后的薄膜在N2中温度不高于450 ℃可保持其疏水性与多孔结构.

关键词：纳米多孔 SiO2薄膜三甲基氯硅烷溶胶-凝胶红外光谱

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单向C_f/SiC复合材料的弯曲疲劳性能

硅酸盐学报 2001年第3期29卷 278-281页

作者：曹英斌张长瑞周新贵陈朝辉国防科技大学航天与材料工程学院先进陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室长沙410073

对单向Cf/SiC复合材料进行了三点弯曲疲劳性能测试 ,得到了复合材料的应力 -寿命曲线 (S -N曲线 ) ,并对其进行线性拟合 ,得到疲劳最大应力与复合材料疲劳寿命的关系 ;考察了疲劳过程中刚度下降和疲劳裂纹产生情况 .结果表明在疲劳过程... 详细信息

对单向Cf/SiC复合材料进行了三点弯曲疲劳性能测试 ,得到了复合材料的应力 -寿命曲线 (S -N曲线 ) ,并对其进行线性拟合 ,得到疲劳最大应力与复合材料疲劳寿命的关系 ;考察了疲劳过程中刚度下降和疲劳裂纹产生情况 .结果表明在疲劳过程中复合材料的弯曲模量有 3个变化阶段 :首先在疲劳加载初期 ,弯曲模量的下降速度及幅度都较大 ;其次在弯曲模量下降到原始弯曲模量的 85 % (13 3GPa)后 ,其变化方式没有明显的规律可循 ,有时甚至可能上升 ;最后复合材料发生疲劳断裂时 ,模量将发生突变 .显微结构分析表明 :基体横向裂纹群的产生是疲劳断裂的独有特征 .它的产生是由于基体SiC的断裂应变小于碳纤维的断裂应变。

关键词： Cf/SiC复合材料陶瓷基复合材料疲劳性能应力-寿命曲线弯曲模量疲劳裂纹

先驱体转化-热压单向C_f/SiC复合材料的高温弯曲力学行为

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硅酸盐学报 2001年第5期29卷 435-438页

作者：曹英斌张长瑞周新贵陈朝辉国防科技大学航天与材料工程学院先进陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室长沙410073

研究了采用先驱体转化 -热压烧结制备的单向Cf/SiC复合材料室温 ,15 73,172 3,192 3K温度下力学行为 ,并从显微结构的特征分析了单向Cf/SiC复合材料高温力学行为的变化原因 .结果表明 :Cf/SiC复合材料的室温 ,15 73,172 3 ,192 3K温度... 详细信息

研究了采用先驱体转化 -热压烧结制备的单向Cf/SiC复合材料室温 ,15 73,172 3,192 3K温度下力学行为 ,并从显微结构的特征分析了单向Cf/SiC复合材料高温力学行为的变化原因 .结果表明 :Cf/SiC复合材料的室温 ,15 73,172 3 ,192 3K温度下弯曲强度分别为5 5 0 ,392 ,394,5 74MPa ,弯曲模量分别为 15 7,14 8,132 ,83GPa .Cf/SiC复合材料破坏时 ,其破坏方式将从室温和 15 73K的分层断裂向172 3K ,192 3K的脆性断裂转化 .Cf/SiC显微结构的分析表明 ,在纤维周围和大晶粒间存在着大量的有一定结晶程度的玻璃相。

关键词：碳纤维增强碳化硅复合材料高温力学性能显微结构先驱体转化热压陶瓷基复合材料

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氮化硼纤维先驱体的制备与表征

高等学校化学学报 2010年第3期31卷 623-628页

作者：邓橙宋永才王应德李义和雷永鹏国防科技大学航天与材料工程学院新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室长沙410073

以三氯环硼氮烷为原料,将其与正丙胺/异丙胺进行共取代反应,制得了不同结构的取代单体,再经热聚合反应获得了相应的聚硼氮烷先驱体.通过分析不同正丙胺/异丙胺配比制得的聚合产物的组成与结构,探讨了不同单体的胺基取代基对先驱体的聚... 详细信息

以三氯环硼氮烷为原料,将其与正丙胺/异丙胺进行共取代反应,制得了不同结构的取代单体,再经热聚合反应获得了相应的聚硼氮烷先驱体.通过分析不同正丙胺/异丙胺配比制得的聚合产物的组成与结构,探讨了不同单体的胺基取代基对先驱体的聚合反应性及对产物结构的影响.结果表明,当正丙胺/异丙胺摩尔比为2∶1,聚合温度为150℃,反应时间为10 h时,合成产物具有近似线性分子结构,熔点为90℃,具有良好的成丝性,可获得平均直径10-20μm,组成为BC1.27N1.52Hx的先驱体纤维,先驱体纤维再经不熔化处理及1200℃氨气高温煅烧等工艺可获得近化学计量比的氮化硼纤维.

关键词：三氯环硼氮烷聚硼氮烷氮化硼纤维先驱体