纤维增强树脂基复合材料防弹性能影响因素及破坏机制

以超高分子量聚乙烯(Ultra High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)纤维、S-玻璃纤维、芳纶1414纤维和杂环芳纶纤维增强聚烯烃(Polyolefin,PO)和水性聚氨酯(Waterborne Polyurethane,WPU)树脂,采用热压工艺制备正交单向无纬(UD)结构复合材料装甲板;通过装甲板弹道极限速度测试,研究了纤维增强树脂基复合材料装甲板防弹性能的影响因素;通过体视显微镜观察装甲板侵彻破坏形貌,分析了纤维增强树脂基复合材料的破坏机制。结果表明:UHMWPE纤维增强PO树脂基复合材料的防弹性能与UHMWPE纤维的强度和模量呈正相关,但纤维模量对复合材料防弹性能的影响随着纤维模量的增大而逐渐变弱;在WPU树脂体系下,四种纤维的防弹性能由高到低依次是UHMWPE纤维、杂环芳纶纤维、芳纶1414纤维、S-玻璃纤维;纤维增强树脂基复合材料装甲板中纤维破坏方式有迎弹面纤维被剪切冲塞、中部被纤维拉伸变形后剪切、背弹面纤维被拉伸断裂,中部纤维拉伸变形是消耗子弹动能的主要方式。     

基于ABAQUS二次开发的球形破片侵彻UHMWPE软质防弹衣数值模拟

为准确模拟破片侵彻防弹衣的过程,揭示破片与软质防弹衣相互作用机制,本文基于ABAQUS用户子程序VUMAT编写了适用于模拟软质防弹衣材料力学性能的本构模型,建立了球形破片侵彻软质防弹衣的有限元模型,数值模拟结果与实验吻合较好。本构模型中材料失效模式数据表明,无纬布主要发生纤维拉伸、基体拉伸和压缩失效;在钢球侵彻防弹衣的初期,无纬布上的应力云图一般呈现较规则的圆形或椭圆形,然后再慢慢向四周扩散;钢球侵彻软质防弹衣的过程中伴随有较明显的纤维层间分层失效,未穿透的纤维层中也出现了分层的现象,分层面积从迎弹面到背弹面先减小后增大再减小。      

自然老化软质防弹衣对明胶靶标的防护性能试验研究

目的 为了研究自然老化防弹衣对人体的防护能力，开展手枪弹对有防护明胶靶标的钝击效应试验。方法 通过高速摄影拍摄钝击过程中明胶靶标内瞬时凹陷情况，以此判断自然老化是否影响防弹衣的防护性能。结果 试验结果表明，10年自然老化防弹衣防护下的明胶靶标内平均瞬态最大凹陷深度为23.32 mm，平均最大直径为70.08 mm；新软质防弹衣防护下的明胶靶标内平均最大凹陷深度为28.76 mm，平均最大直径为66.59 mm。结论 10年自然老化对软质防弹衣的抗弹性能没有显著影响。文中的研究给自然老化软质防弹衣安全使用寿命的延长提供了参考。     

超高分子量聚乙烯纤维平纹织物-单向布混合堆叠板的防弹机制

柔性防弹衣具有隐蔽性好、穿着舒适的优点,而采用平纹与单向（UD）布杂化结构具有更好的防护效果。本文采用三层超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维平纹织物（A）和两层Dyneema^?SB51 UD布（B）组成AAABB和BBAAA两种混合靶板,通过弹道实验比较两种排列方式的防弹性能差异。结果表明,将平纹织物在前UD布在后能大幅提升整块板的防弹性能,能量吸收比后者高约20%。进一步采用有限元模拟来阐明其防弹机制,模拟结果表明将平纹织物放在面层不易被切断,使得平纹织物层发生更大的形变,也使后面的UD布发生大面积形变,吸收大量能量。而UD布放在前面层易产生的切力破坏,失去对后面层的作用。而平纹织物在后层容易发生滑移,且形变纵深过大,不利于防弹保护。该研究结果阐明了平纹织物和UD布不同顺序堆叠时的防弹机制,为进一步优化设计该类柔性防弹衣提供了坚实的理论基础。     

超高分子量聚乙烯纤维增强防弹复合材料研究进展

介绍了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维的特点、种类及编织结构,分析了UHMWPE纤维复合材料的防弹机理,总结了UHMWPE纤维的编织结构、树脂基体性能、界面性能等因素对防弹性能的影响,归纳了UHMWPE纤维防弹复合材料的优缺点,并对UHMWPE纤维复合材料的发展进行了展望。     

UHMWPE交织双轴向纬编复合材料高应变率压缩性能研究

利用SHPB装置对UHMWPE交织双轴向纬编针织物/乙烯基酯树脂复合材料进行了高应变率压缩实验,研究了该材料的应变率效应和能量吸收.结果表明:等离子体处理后,复合材料的高应变率压缩性能有了较大的提高,放电功率100W是一个较为合适的处理条件.UHMWPE交织双轴向纬编复合材料呈现出一定的应变率敏感性:随着应变率的增加,最大应力、压缩模量、断裂应变能密度相应增大.由于交织双轴向纬编结构中的针织线圈及经纬纱交织作用,其具有较好的抗冲击性能.     

超高分子量聚乙烯复合材料抗多发弹性能试验研究

为研究防弹衣用软质超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料在多发弹打击下的防护效能变化,通过弹道试验对多发弹打击下复合材料的抗弹性能和结构损伤以及弹丸变形破坏特征进行试验研究,分析弹靶作用机制。结果表明:软质UHMWPE防弹材料经多发弹打击后,其抗弹性能明显下降且分散性变大;弹道冲击条件下,铅芯弹丸和靶材的高应变率材料力学行为、弹丸变形机制、靶材结构对弹丸的应力积累机制等均是影响防护材料抗弹性能优劣的根本因素,是其机理研究的关键。     

织物弹道贯穿性能分析计算

纤维织物增强复合材料由于轻质和高冲击损伤容限而在防弹装甲设计及制造中逐渐得到应用,如人体防弹衣和车辆防护装甲。但是尚无较好的方法直接计算复合材料防弹特性,其中困难在于复合材料弹道冲击过程中的应变率效应和冲击破坏机理至今没有被揭示。解决问题的第一步是建立复合材料增强相(即织物)防弹特性计算方法。提出基于纤维力学性质应变率效应的织物弹道冲击破坏分析模型,计算不同面密度织物靶体在弹道贯穿过程中的弹体剩余速度,由此反映靶体防弹特性。用本文中提出的简单算法预测的结果与实测结果在靶体厚度不大时极为接近,而且也有可能将其扩展到纤维织物增强复合材料防弹性质的计算。     

热氧老化对纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料力学性能的影响

通过改变预制体结构衬纱取向的方法制备了几种含不同剪切角的纬编双轴向多层衬纱(Multilayered biaxial weft knitted,MBWK)织物增强复合材料。基于Arrhenius模型和Ozawa法设计了热氧老化试验,采用力学性能测试、DSC、FTIR和DMA测试对老化前后的试样热-物理性能进行了表征。实验结果表明：预制体的纱线剪切角不同,其复合材料受热氧老化后力学性能的保留率也显著不同,由于乙烯基酯树脂在热氧老化环境中会发生后固化现象,因此复合材料的弯曲模量在老化过程中呈现先增加后下降的趋势,而拉伸性能则受到增强体结构的影响,纤维/基体界面的结合力退化使拉伸模量在老化过程中持续下降;随着老化时间的延长,树脂的固化度逐渐增加,玻璃化转变温度T_g逐渐升高,储能模量峰值在老化初期由于分子链交联上升,老化后期分子链断裂占据主导作用致使峰值逐渐下降。     

针刺C/C复合材料面内拉伸强度预测

为研究针刺碳纤维增强碳基体复合材料(针刺C/C复合材料)面内拉伸强度与渐进损伤,建立了针刺C/C复合材料代表性体积单元有限元模型。模型包含无纬布层、网胎层、针刺纤维束、界面4类子区域,并考虑了孔隙的影响。采用基于应变的破坏准则及指数型损伤演化规律研究无纬布层及针刺纤维束损伤,采用弹塑性本构研究网胎层损伤,采用内聚力牵引分离定律和二次应力破坏准则分析界面损伤。通过两步法计算了孔隙对材料性能的折减效果,并得到上述4个子区域的力学性能,通过ABAQUS UMAT预测了材料的面内拉伸应力-应变曲线及各子区域损伤起始、演化与失效过程,非线性趋势及拉伸强度数值与试验数值吻合较好,验证了该模型有效性。      

单向碳纤维增强树脂基复合材料的超低温力学性能

采用真空袋-热压罐工艺制备单向碳纤维增强树脂基复合材料(CFs/EP)层合板,并将高低温试验箱与万能试验机相结合,通过合理使用低温胶和低温引伸计,并在降温过程中实施应力-应变实时调零等关键技术,在室温和液氧超低温度(-183℃)下对单向CFs/EP层合板进行拉伸和弯曲试验,研究了其超低温力学性能,并根据室温和超低温试验后试样的微观和宏观特征,揭示了超低温环境下复合材料力学性能变化机制。结果表明,与室温力学性能相比,单向CFs/EP层合板超低温拉伸强度下降约为9.5%,而拉伸模量上升约为6.2%,主要是由于超低温环境下,树脂的收缩使绝大部分碳纤维与树脂间形成了强界面,拉伸后试样呈"劈裂式"破坏形式,无法使每根纤维都充分发挥其强度,拉伸强度下降,同时超低温也限制了树脂大分子链的运动,所以导致单向CFs/EP层合板拉伸模量上升;单向CFs/EP层合板超低温弯曲强度和弯曲模量分别提高约54.75%和11.64%,这是由于单向CFs/EP层合板的常温和超低温的弯曲破坏形式均为分层剪切破坏,超低温下复合材料的界面增强,提高了单向CFs/EP层合板抵抗剪切分层的能力,进而使CFs/EP的弯曲性能得到提高。     

Statistical Tensile Strength for High Strain Rate of Aramid and UHMWPE Fibers

Technora,madefromaramidfibersandsome whatsimilartothecommonlyknowKevlar,and Ultrahighlyorientedhighmolecularweightpolyeth ylene UHMWPEfibersarealloftenusedinflexible armourapplicationsandhencesubjectedtohighrates ofloading.Theutilizationoftheirreinforcedcom positesarmourincertainballisticapplicationsisin creasinglypreferredoverconventionalrigidmetalar moursystemsbecauseofitssuperiorstrength to weightratioandflexibility.Todate,thedesignand developmentofsuchfabricarmoursystemshave largelybeen…     

弹道防护用超高分子量聚乙烯纤维增强热塑性树脂基复合材料的拉伸力学行为

以弹道防护用超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维增强热塑性树脂基复合材料作为研究对象,通过热压工艺制备单向正交结构的复合材料层压板。基于自主设计的拉伸试验装置,开展UHMWPE纤维增强热塑性树脂基复合材料在宏观尺度和准细观尺度上的面内拉伸试验,研究其面内拉伸力学性能及失效模式。研究结果显示：弹道防护用UHMWPE纤维增强热塑性树脂基复合材料在准细观尺度上的面内拉伸力学性能是其本征性能;随着偏轴角度的增加,拉伸断裂强度呈现指数型下降,这是由于失效模式由纤维的拉伸断裂破坏转变为纤维-树脂基体的界面破坏;此外,其在宏观尺度上的拉伸破坏强度比在准细观尺度上的拉伸断裂强度降低了50.52%,这是由于宏观尺度上的面内拉伸力学响应是其面内拉伸变形和层间分层破坏的耦合结果,即层压板的叠层效应。     

超高分子量聚乙烯人工髋臼材料压缩性能的红外辐射研究

采用先进的试验设备和方法对超高分子量聚乙烯(UHMW PE)人工髋臼材料在不同的加载速度下进行压缩力学性能试验的同时,对其压缩变形过程进行了热红外辐射温度的监测。对超高分子量聚乙烯人工髋臼材料试验过程中的应力与应变、平均红外辐射温度与应变、平均红外辐射温度与机械功之间的关系进行了分析。试验结果为超高分子量聚乙烯人工髋臼材料在特殊的人体环境中的应用提供了参考。     

环氧化天然橡胶改性石墨烯-炭黑/天然橡胶复合材料的制备及性能

以环氧化天然橡胶(ENR)为界面改性剂,制备了石墨烯-炭黑/天然橡胶-ENR(GR-CB/NR-ENR)复合材料,研究了ENR用量对GR-CB/NR-ENR复合材料的加工性能、力学性能和动态力学性能的影响。结果表明,ENR的加入可以改善GR-CB/NR-ENR复合材料的加工性能及CB粒子在天然橡胶基体中的分散性,增加GR与NR的相容性,增强填料与NR基体间的界面相容性,同时改善GR-CB/NR-ENR硫化胶的动态力学性能、物理性能和耐老化性能。当ENR添加量为6 wt%时,GR-CB/NR-ENR复合材料撕裂强度和拉伸强度最高,硫化胶耐老化性最好。随着ENR含量的增加,GR-CB/NR-ENR复合材料的压缩疲劳温度先升高后降低;随着应变的不断增大,GR-CB/NR-ENR复合材料的储能模量G'不断减小,损耗因子tanδ先增大后减小;动态模量随着应变的增加急剧下降。      

短玻纤和SiO2 颗粒增强PA66/ UHMWPE复合材料的力学性能

制备了PA66/ U HMWPE/ HDPE-g-MA H 共混合金, 并对其力学性能和微观结构进行了研究。结果表明: 随着U HMWPE 含量的增加, 共混合金缺口冲击强度显著提高, 拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量下降。为了弥补强度和刚性的损失, 使材料同时具有良好的韧性、强度和刚性, 采用了短玻璃纤维和无机粒子混杂增强PA66/ U HMWPE/ HDPE-g-MAH (80/ 20/ 20) 。经短玻纤和无机粒子混杂增强后, 材料的拉伸强度、弯曲强度、模量和刚性都明显提高, 同时材料缺口冲击强度保持较高水平, 比尼龙66 提高72.9 %。      

Impact of aging conditions on mechanical properties of thermoplastic polyurethane

In this study, impact of environmental aging conditions on the mechanical properties of thermoplastic polyurethane (TPU) was investigated. Especially, effect of temperature on water diffusion has been studied. Water-sorption experiments, tensile test and dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) were performed after immersion in distilled water at different temperatures (25, 70 and 90 °C). The sorption process was analyzed by gravimetric measurements at different temperatures. Also, diffusion coefficients of solvent molecules in the TPU samples were identified. Therefore the activation energy and the mixing enthalpy were deduced. The aging impact on some mechanical properties of this material has been investigated after various aging cycles. Degradation of mechanical properties was observed. In fact, elastic modulus and stress at 200% of strain were decreased. It was also shown that such degradation largely depends on both aging temperature and aging immersion duration. The storage modulus (E′) was also affected by the hygrothermal (HT) environment. The modification of mechanical properties seems to be well correlated to structural observations obtained from scanning electron microscopy (SEM) photographs. Finally, through thermal aging experiments, it was deduced that the combination of temperature with water seems to be a major factor of TPU degradation.     

Characteristics of continuous unidirectional kenaf fiber reinforced epoxy composites

Kenaf fibers generally has some advantages such as eco-friendly, biodegradability, renewable nature and lighter than synthetic fibers. The aims of the study are to characterize and evaluate the physical and mechanical properties of continuous unidirectional kenaf fiber epoxy composites with various fiber volume fractions. The composites materials and sampling were prepared in the laboratory by using the hand lay-up method with a proper fabricating procedure and quality control. Samples were prepared based on ASTM: D3039-08 for tensile test and the scanning electron microscopy (SEM) was employed for microstructure analysis to observe the failure mechanisms in the fracture planes. A total of 40 samples were tested for the study. Results from the study showed that the rule of mixture (ROM) analytical model has a close agreement to predict the physical and tensile properties of unidirectional kenaf fiber reinforced epoxy composites. It was also observed that the tensile strength, tensile modulus, ultimate strain and Poisson’s ratio of 40% fiber volume content of unidirectional kenaf fiber epoxy composite were 164 MPa, 18150 MPa, 0.9% and 0.32, respectively. Due to the test results, increasing the fiber volume fraction in the composite caused the increment in the tensile modulus and reduction in the ultimate tensile strain of composite.     

UHMWPE纤维混凝土动态压缩力学性能研究

试验研究了一种捻制超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强的新型纤维混凝土动态压缩力学性能。研制了4种纤维体积掺量(0.3%、0.5%、0.7%、1.0%)的C70等级纤维混凝土,采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆进行冲击压缩试验,研究了纤维混凝土在140~255 s~(-1)应变率下的动态压缩力学性能。试验结果表明:UHMWPE纤维混凝土抗压强度、峰值应变和弹性模量具有明显的应变率敏感性;纤维混凝土抗压强度应变率敏感性弱于素混凝土,但其弹性模量应变率敏感性强于素混凝土;动态强度增长因子与应变率对数呈线性关系,具体关系与纤维掺量相关。     

Mechanical property enhancement of aligned multi-walled carbon nanotube sheets and composites through press-drawing process

A solid-state drawing and winding process was done to create thin aligned carbon nanotube (CNT) sheets from CNT arrays. However, waviness and poor packing of CNTs in the sheets are two main weaknesses restricting their reinforcing efficiency in composites. This report proposes a simple press-drawing technique to reduce wavy CNTs and to enhance dense packing of CNTs in the sheets. Non-pressed and pressed CNT/epoxy composites were developed using prepreg processing with a vacuum-assisted system. Effects of pressing on the mechanical properties of the aligned CNT sheets and CNT/epoxy composites were examined. Pressing with distributed loads of 147, 221, and 294 N/m showed a substantial increase in the tensile strength and the elastic modulus of the aligned CNT sheets and their composites. The CNT sheets under a press load of 221 N/m exhibited the best mechanical properties found in this study. With a press load of 221 N/m, the pressed CNT sheet and its composite, respectively, enhanced the tensile strength by 139.1 and 141.9%, and the elastic modulus by 489 and 77.6% when compared with non-pressed ones. The pressed CNT/epoxy composites achieved high tensile strength (526.2 MPa) and elastic modulus (100.2 GPa). Results show that press-drawing is an important step to produce superior CNT sheets for development of high-performance CNT composites.