玄武岩增强硼酚醛树脂基复合材料工艺性能研究

利用正交试验方法,讨论冷却方式、成型压力、增强纤维百分含量、成型温度对玄武岩增强硼酚醛树脂基复合材料拉伸强度和弯曲强度的影响.结果表明:复合材料中增强纤维百分含量对其力学性能影响最大,成型压力增大有利于复合材料力学性能的改善,成型温度对基体材料的结构有较大影响,当成型温度较高时,复合材料具有较大的弯曲强度,延长冷却时间有利于复合材料力学性能的提高.     

固化温度对亚麻纤维及其增强复合材料力学性能的影响

研究热压成型过程中,不同固化温度对亚麻纤维及其增强复合材料力学性能的影响。结果表明:亚麻纤维在120,140℃和180℃分别处理2h后单纤维拉伸性能发生不同程度的下降。环氧树脂E-51在120,140℃和180℃下固化2h后拉伸性能未发生明显变化。基于环氧树脂的单向亚麻纱线增强复合材料分别在120℃和140℃固化成型时,拉伸强度和冲击强度变化不大。但当固化温度达到180℃时,由于亚麻纤维在高温环境下损伤较为严重,其增强复合材料的拉伸强度和冲击强度均发生明显的下降。然而复合材料的拉伸模量随着成型温度的升高有一定幅度的提升。     

增强体结构对复合材料工艺及其性能的影响

为了分析增强体结构对复合材料力学性能和复合工艺的影响,分别以单向玄武岩织物和平纹玄武岩织物为增强体,制备玄武岩增强复合材料。并采用正交试验方法,讨论复合工艺参数对玄武岩增强复合材料拉伸强度和弯曲强度的影响,及其对两种复合材料的力学性能差异。结果表明:平纹玄武岩复合材料拉伸性能优于单向玄武岩复合材料,而单向玄武岩复合材料具有较强的抗弯性能;增强纤维含量对复合材料的拉伸性能影响较大,对单向玄武岩复合材料弯曲性能影响较小;复合成型温度对单向玄武岩复合材料力学性能影响较大,且成型温度升高有利于复合材料力学性能改善;成型压力增大有利于复合材料力学性能的增强;适当延长冷却时间有利于复合材料力学性能的提高。     

加工条件对芳纶/PP复合材料横向拉伸性能的影响

本文主要对芳纶 /聚丙烯混纤复合材料的横向拉伸性能进行了研究 ,讨论了不同的加工条件 (成型温度、时间、压力 )以及芳纶的体积含量等对复合材料体系横向拉伸强度的影响     

对位芳香族聚酰胺纤维/环氧树脂复合材料防弹性能及其破坏机制

为研究对位芳香族聚酰胺纤维/环氧树脂（Epoxy resin,EP）复合材料的防弹性能及其破坏机制,采用铅芯弹侵彻复合材料靶片。以对位芳香族聚酰胺纤维作增强纤维,EP作基体树脂,纳米SiO₂和聚乙烯醇缩丁醛（Polyvinyl butyral,PVB）作增韧剂,通过热压工艺制备单向（Unidirectional,UD）结构的对位芳香族聚酰胺纤维/EP复合材料靶片。研究单片纤维面密度、UD片材结构、射击角度和树脂改性对靶片防弹性能的影响;观察弹击实验后靶片的破坏形貌,分析靶片的破坏机制。研究结果表明:对位芳香族聚酰胺纤维/EP复合材料具有优异的防弹性能,随着单层纤维面密度的增大,靶片的防弹性能呈现整体上升、局部上下波动的变化趋势;铺层方式为0°/90°/0°/90°的四层单UD片材（4UD）结构的防弹性能优于铺层方式为0°/90°的两层单UD片材（2UD）结构;角度射击时,靶片的穿透比率更大,背衬凹陷深度（Back face signature,BFS）比率更小;PVB增韧改性EP提升了靶片的防弹性能;纤维拉伸变形破坏、片材分层和基体树脂碎裂是复合材料靶片主要的吸能方式。      

层间混杂复合材料装甲板防弹性能及其防弹机制

为研究层间混杂复合材料装甲板的防弹性能及其防弹机制,采用钢芯弹侵彻层间混杂复合材料装甲板。以超高分子量聚乙烯（Ultra high molecular weight polyethylene,UHMWPE）纤维、对位芳香族聚酰胺纤维作增强纤维,水性聚氨酯（Waterborne Polyurethane,WPU）树脂和环氧树脂（Epoxy resin,EP）作基体,采用热压工艺制备单向（Unidirectional,UD）结构的层间混杂复合材料装甲板。研究混杂比例、防弹面和树脂基体对混杂复合材料装甲板防弹性能的影响以及弹击后混杂复合材料装甲板的破坏形貌,分析混杂复合材料装甲板的防弹机制,并对复合材料装甲板的破坏机制进行了分析。结果表明:混杂复合材料装甲板的防弹性能优于其任一单一纤维复合材料装甲板;WPU的防弹性能要优于环氧树脂;以UHMWPE纤维复合材料充当防弹面时,混杂复合材料装甲板具有更好的防弹性能;纤维拉伸变形和装甲板分层是纤维复合材料装甲板主要的吸能方式。      

硬质防弹纤维复合材料的研究进展

本文分三个方面,即高性能纤维的选材、纤维和树脂对防弹性能的影响以及复合材料的整体防弹机理,对硬质防弹复合材料研究中涉及的选材、成型条件和复合方式等因素,进行了较为详细的述评,尤其对超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料的研究给予特别关注,并指出了当前防弹复合材料领域研究的热点.     

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。     

纤维复合材料的弹道吸能研究

本文通过大量的实弹试验考察与分析了芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维复合材料弹道吸能随面密度、弹速、成型压力、树脂基体含量等改变而变化的规律, 揭示出不同纤维复合材料在不同条件下的防弹能力。研究结果对防弹复合材料及其轻质复合装甲的优化设计具有较重要的参考意义。      

高强型聚酰亚胺纤维增强热塑性树脂基复合材料防弹性能研究

采用S35高强型聚酰亚胺(PI)纤维作为增强体，热塑性树脂作为基体，采用热压工艺制备了织物结构和正交单向无纬(UD)结构复合材料靶板，通过弹道极限速度测试和背部变形测试，研究了增强体结构和界面结合强度对PI纤维增强热塑性树脂基复合材料防弹性能的影响。结果表明：高强型聚酰亚胺纤维表现出了优异的防弹性能；UD结构靶板更适用于防铅芯弹；织物结构靶板更适用于防破片；当界面剥离强度由5.45N/cm提高到26.44N/cm时，剥离后界面处的纤维表面形貌的破坏程度逐渐增加。当侵彻体为5.6g铅芯弹时，随着界面剥离强度的提高，复合材料靶板的防弹性能呈现出先提高后降低的趋势；并且靶板的背部变形逐渐减小，进一步证明了界面结合强度对复合材料靶板防弹性能的影响。     

芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维制备工程用纤维/水泥复合材料的适用性

研究了两种高强合成纤维在工程用纤维/水泥复合材料制备过程中的适用性,其中,芳纶纤维的表面为亲水性,超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维的表面为憎水性。研究结果表明:工程用芳纶纤维/水泥复合材料拉伸破坏过程中无应变硬化能力且表现为单裂纹破坏现象;工程用UHMWPE纤维/水泥复合材料拉伸破坏过程中表现出良好的应变硬化能力和多裂纹开裂特性。因此,两种纤维相比,UHMWPE纤维适宜于工程用纤维/水泥复合材料的制备。随着水胶比的降低,工程用UHMWPE纤维/水泥复合材料抗拉强度增大,但应变硬化能力降低,因此,在制备工程用UHMWPE纤维/水泥复合材料的过程中,应协调纤维抗拉强度和基体与纤维之间界面过渡区的品质。      

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。     

聚酰亚胺纤维/双马树脂复合材料抗高速冲击性能

采用热压罐成型工艺制备聚酰亚胺纤维/双马树脂复合材料,并采用空气炮冲击实验研究聚酰亚胺纤维体积分数和环境温度对复合材料层板抗高速冲击性能的影响。结果表明:与等面重下TC4钛合金相比,S35聚酰亚胺纤维复合材料抗高速冲击性能更优,且具有优异的高温抗高冲击性能。聚酰亚胺纤维体积分数越高,复合材料层板抗高冲击性能越高,其中,73%体积分数的聚酰亚胺纤维复合材料层板室温弹道吸能可达227.0J,比等面重下TC4钛合金高240%。冲击速率较低时,复合材料弹击面出现周围含纤维分层开裂的圆形凹坑,背弹面出现沿纤维方向的分层开裂;冲击速率较高时,复合材料层板弹击面出现周围含纤维分层开裂的圆形通孔,背弹面出现沿纤维方向大面积纤维分层开裂。     

超高分子量聚乙烯纤维的液相氧化改性及其环氧树脂基复合材料的力学和摩擦性能

为增强超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与环氧树脂(EP)基体之间的界面粘结强度,采用重铬酸钾溶液对UHMWPE纤维进行表面改性并制备UHMWPE纤维/EP复合材料。结果表明,UHMWPE纤维经液相氧化后表面刻蚀痕迹明显,表面粗糙度明显增加,结晶度增加了11.3%,与乙二醇的接触角减小了14.12°。与纯环氧树脂相比,纤维含量为0.4%的未改性UHMWPE纤维/EP复合材料的拉伸强度降低18.04%,纤维含量为0.6%的液相氧化改性UHMWPE纤维/EP复合材料的拉伸强度降低51.55%,未改性UHMWPE(纤维含量0.5%)和液相氧化改性UHMWPE(纤维含量0.4%)纤维/EP复合材料的冲击强度分别提升了3.29%和4.39%。当纤维含量为0.3%时,液相氧化改性UHMWPE纤维/EP复合材料的弯曲强度比纯环氧树脂增加6.55%,比未改性UHMWPE纤维/EP复合材料增加19%。当纤维含量由0增大到0.5%时,改性和未改性UHMWPE纤维/EP复合材料的摩擦系数先增加后减小。     

Effect of Reactive Graphitic Nanofibers (r-GNFs) on Tensile Behavior of UHMWPE Fiber/Nano-Epoxy Bundle Composites

Ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fibers have good mechanical and physical properties and effective radiation shielding functions, which are significant for aerospace structures. In our previous work, nano-epoxy matrices were developed based on addition of reactive graphitic nanofibers (r-GNFs) in a diluent to form a blend. It is found that improved wettability and enhanced adhesion of the matrices to UHMWPE fibers can be obtained. In this study, a series of nano-epoxy matrices with different concentrations of r-GNFs (up to 0.8 wt%) and different weight ratios of r-GNFs to a reactive diluent (1:4, 1:6, 1:7, and 1:9) were prepared. Composite bundle specimens of UHMWPE fiber/nano-epoxy were fabricated and their tensile behavior was investigated. All load-displacement curves of the UHMWPE/nano-matrix bundle composites under tensile loading showed three regions corresponding to the three deformation and failure stages of the materials: 1) elastic deformation stage, 2) plateau stage, and 3) UHMWPE fiber failure stage. The nano-epoxy with 0.3 wt% of r-GNFs and with 1:6 ratio of r-GNFs to the diluent proved to be the best matrix for UHMWPE fiber composites with enhanced tensile properties. For the resulting composite, the load level and consumed energy in the plateau stage were increased by 8% and 30% over the UHMWPE fiber/pure-epoxy specimens, respectively. This UHMWPE fiber composite with the optimized nano-epoxy matrix also possesses the highest initial stiffness and ultimate tensile strength among all the resulting UHMWPE fiber composites. These results laid a foundation for us to fabricate UHMWPE fiber reinforced composite laminates in the near future.     

粘胶纤维与Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料的性能比较

以聚乳酸(PLA)为基体,分别采用粘胶纤维与Lyocell纤维这2种典型的再生纤维素纤维为增强纤维,通过熔融共混和注塑成型制备了再生纤维素纤维/PLA复合材料,并对这2种复合材料的性能进行了比较研究。结果表明,采用粘胶纤维或Lyocell纤维增强均可有效提高PLA复合材料的结晶度、力学性能和维卡软化温度。粘胶纤维的锯齿形截面有利于其与PLA基体的结合,因此粘胶纤维/PLA复合材料具有略高的冲击强度及拉伸强度。Lyocell纤维增强更有利于复合材料结晶度的提高,使得Lyocell/PLA复合材料具有更高的弹性模量和维卡软化温度。