热塑性树脂基体对超高分子量聚乙烯纤维复合材料力学性能和抗弹道侵彻性能的影响

选用热塑性的水性橡胶、水性聚酯、水性聚氨酯作为基体树脂,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为增强纤维,采用热压工艺制备单向正交结构的防弹先进复合材料层压板。基于弹道侵彻试验和力学试验研究热塑性树脂基体对防弹先进复合材料弹道响应及力学行为的影响。研究结果显示：相比单一的热塑性树脂体系,以热塑性树脂混合体系作为基体制备的UHMWPE复合材料具有更优异的抗弹道侵彻性能、更高的拉伸破坏强度和层间剪切破坏强度,这是由于混合树脂体系中的UHMWPE纤维具有更高的可利用效率;此外,基于横向压缩诱导的间接张力机制和弹道侵彻下的大变形行为诱导的膜力效应,UHMWPE纤维复合材料的抗弹道侵彻性能与其准静态下的拉伸断裂强度、层间剪切强度呈现正相关的关联机制。     

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。     

复合材料层合板多尺度交互渐进损伤分析

纤维增强复合材料强度的准确表征是复合材料力学性能研究的核心问题之一。该文以碳纤维增强树脂基复合材料层合板为研究对象,基于宏观-细观多尺度分析方法,根据复合材料的物理失效模式分别给出了基体和纤维的细观失效准则,同时考虑基体失效对复合材料层合板纤维轴向力学性能的影响。提出了新的刚度退化方式,可准确表征复合材料层合板的损伤演化过程,开展了复合材料层合板四点弯模型的多尺度交互渐进损伤分析和试验验证。结果表明:基于多尺度方法的复合材料层合板宏-细观交互渐进损伤分析结果与试验结果吻合较好,新的刚度退化方式可以准确模拟层合板的失效过程。     

跨尺度预测非屈曲织物增强复合材料的刚度和强度

为了预测非屈曲织物增强复合材料的力学性能, 建立了纤维束的正六边形单胞和非屈曲织物复合材料的长方形单胞, 并重点推导了正六边单胞的方程边界条件。通过跨尺度逐级计算这两个单胞的有效弹性常数, 得到了非屈曲碳纤维织物增强环氧树脂基复合材料的宏观有效弹性性能和强度。对该非屈曲织物复合材料在拉伸载荷下的累计失效进行了有限元损伤分析。结果表明: 初始损伤发生在富树脂区或横向纤维束, 损伤在富树脂区与横向纤维束内逐步扩展, 最后向纵向纤维束扩展并迅速导致整体失效; 非屈曲织物增强复合材料的面内拉伸模量的计算预测值非常接近实验值, 面内拉伸强度计算值略小于实验值。     

连续石墨纤维增强铝基复合材料准静态拉伸损伤演化与断裂力学行为

针对连续石墨纤维增强铝基(CF/Al)复合材料,采用三种纤维排布方式的代表体积单元(RVE)建立了其细观力学有限元模型,采用准静态拉伸试验与数值模拟结合的方法,研究了其在轴向拉伸载荷下的渐进损伤与断裂力学行为。结果表明,采用基体合金和纤维原位力学性能建立的细观力学有限元模型,对轴向拉伸弹性模量和极限强度的计算结果与实验结果吻合良好,而断裂应变计算值较实验结果偏低。轴向拉伸变形中首先出现界面和基体合金损伤现象,随应变增加界面发生失效并诱发基体合金的局部失效,最后复合材料因纤维发生失效而破坏,从而出现界面脱粘后纤维拔出与基体合金撕裂共存的微观形貌。细观力学有限元分析结果表明,在复合材料制备后纤维性能衰减而强度较低条件下,改变界面强度和刚度对复合材料轴向拉伸弹塑性力学行为的影响较小,复合材料中纤维强度水平是决定该复合材料轴向拉伸力学性能的主要因素。     

织物-树脂复合材料层压板的准静态侵彻机理

本文利用MTS得到了芳纶和高强维纶织物复合材料层压板受尖头侵彻体穿孔的准静态侵彻曲线 ,比较和分析了不同类型纤维集合体与热固性树脂和热塑性树脂复合材料的破坏模式 ,并考察了芳纶织物复合材料层压板侵彻的逐步破坏过程 ,揭示了复合材料层压板的准静态侵彻机理。     

超高分子量聚乙烯纤维/水性聚氨酯复合材料层压板抗软钢芯弹侵彻性能及其损伤机制

选用碳纳米粒子(CNPs)原位改性和未改性的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为增强纤维,水性聚氨酯(WPU)作为树脂基体,采用缠绕-复合-热压工艺制备单向(UD)正交结构的UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板。基于X射线计算机断层扫描(CT)技术,研究UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板在7.62 mm×39 mm软钢芯弹以弹速为(720±10) m/s侵彻下的弹道响应。结果表明,UHMWPE纤维的CNPs原位改性提高了CNPs-UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板抗单发侵彻性能,但会降低其抗多发打击的能力。对于未被穿透的层压板,其被侵彻过程可分为三个阶段,依次为剪切冲塞、断裂破坏和剩余子层的塑性变形,且每个阶段的厚度比依次为11.51%、44.40%和44.09%;层压板的分层响应主要发生在第二阶段,并集中在弹着点附近;每发弹丸侵彻导致层压板的破坏区域包含在以弹着点为圆心、直径约为70 mm的圆内。      

玄武岩纤维增强复合材料抗弹性能试验研究

摘要：为了研究玄武岩纤维增强复合材料的抗弹性能,利用不同树脂基体制作了玄武岩纤维增强复合材料靶板试件,进行了弹道测试。研究了玄武岩纤维增强复合材料的抗侵彻性能和典型破坏模式,并分析了不同树脂基体和不同铺层方式对靶板防弹效果的影响。研究表明,玄武岩纤维增强复合材料在受弹体侵彻时,主要呈现局部破坏,破坏形式是迎弹面的纤维剪切失效、背弹面的拉伸断裂失效。另外,根据轻型防护的要求,提出设计新型防护结构的思路。研究结果可以为轻型复合装甲设计提供参考。     

织物—树脂复合材料层压板的准静态侵彻机理

本文利用MTS得到芳纶和高强维纶织物复合材料层压板受压头侵彻体穿孔的准静态侵彻曲线，比较和分析了不同类型纤维集合体与热固体树脂和热塑性树脂复合材料的破坏模式，并考察了芳纶织物复合材料层压板侵彻的逐步破坏过程，揭示了复合支压板的准静态侵彻机理。     

玄武岩纤维复合材料静、动态力学性能和抗弹性能研究进展

以玄武岩纤维为增强体、树脂为基体制得的玄武岩纤维复合材料具有优异的力学性能、良好的环境适应性和低廉的价格,其在车辆、船舶、航空航天等高新科技领域拥有替代现有玻璃纤维复合材料的潜力.近20年来,玄武岩纤维复合材料的力学性能受到了研究人员的大量关注.玄武岩纤维增强树脂基复合材料中,环氧树脂基复合材料力学性能较为突出,相关研究最受关注.在准静态力学性能研究中,与玻璃纤维复合材料对比发现,玄武岩纤维复合材料在拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、抗低速冲击性能、疲劳性能、耐磨性等方面都更为优异,与碳纤维混杂组成复合材料时也表现出更强的性能,并且通过纤维化学改性和基体纳米颗粒改性可进一步提升玄武岩纤维复合材料的力学性能.国内玄武岩纤维复合材料动态力学性能的研究集中于水泥、沥青、混凝土等材料与玄武岩纤维组成的复合材料,对高性能树脂基复合材料的关注较少.国外研究人员对玄武岩纤维增强树脂基复合材料动态拉伸性能进行了全面研究,发现玄武岩纤维复合材料的动态拉伸模量、强度、应变等都随应变率增加而增大,增大幅度在20％ ～60％;与玻璃纤维复合材料相比,玄武岩纤维复合材料在动态拉伸条件下显示出更高的弹性模量、更大的拉伸强度和更高的拉伸应变.现阶段玄武岩纤维复合材料动态拉伸性能研究的应变率主要集中在100/s左右的较低范围,对动态压缩性能的研究也极为缺失,这难以支撑玄武岩纤维复合材料在涉及高速冲击服役环境中的应用.玄武岩纤维复合材料抗弹性能与S-玻璃纤维复合材料相当,因为玄武岩纤维复合材料具有较为全面的力学性能与环境适应性,所以与其他纤维混杂组成复合材料时可以弥补其他纤维的固有缺点.玄武岩纤维复合材料抗弹性能的变化受基体、纤维等因素的影响,并反映在不同的失效机制上,但在高速动态冲击过程中难以捕获材料本身微观结构的变化,其失效机制只能通过断口形貌进行推测,因此在抗弹性能研究中,仿真模拟技术对玄武岩纤维复合材料冲击变形过程和失效机制的解析研究亟需得到关注.本文归纳了玄武岩纤维增强树脂基复合材料的准静态、动态力学性能及抗弹性能研究现状,分析了现阶段玄武岩纤维复合材料力学性能研究中的不足并提出了建议,以期为高性能、绿色玄武岩纤维复合材料的研究发展提供参考.     

接头尺寸对玻璃纤维/热塑性树脂复合材料机械连接性能的影响接头尺寸对玻璃纤维/热塑性树脂复合材料机械连接性能的影响

对玻璃纤维/聚酰胺（GF/PA）、玻璃纤维/聚甲醛（GF/POM）、玻璃纤维/聚丙烯（GF/PP）这三种玻璃纤维增强热塑性树脂基复合材料进行机械连接试样的常规拉伸试验,以及低周疲劳拉伸试验,并对疲劳前后的试样断裂面进行SEM观察,研究了接头尺寸（宽径比w/d （试样宽度/开孔直径）和端径比e/d （试样端距/开孔直径））对机械连接件破坏载荷和破坏模式的影响。实验结果表明:玻璃纤维增强纤热塑性树脂复合材料机械连接件的承载能力在一定的宽径比时会随着e/d的增加而增加,当w/d≥3、e/d≥2时趋于稳定;破坏模式以拉伸破坏为主;低周疲劳拉伸对GF/POM和GF/PA机械连接试样拉伸强度产生一定的影响,而对GF/PP的拉伸强度无明显影响,低周疲劳拉伸对玻璃纤维增强热塑性树脂复合材料机械连接试样的破坏模式没有影响。SEM观察显示,随着疲劳载荷水平的增加,GF/POM和GF/PA的断裂面上被抽拔纤维数量增加,而GF/PP断裂面纤维与基体的存在状态无明显变化。      

Mechanical behavior of Kevlar/basalt reinforced polypropylene composites

In this study, mechanical behavior of thermoplastic composites reinforced with two-dimensional plain woven homogeneous and hybrid fabrics of Kevlar/basalt yarns was studied. Five types (two homogeneous and three hybrids) of composite laminates were manufactured using compression molding technique with polypropylene (PP) resin. Static tensile and in-plane compression tests were carried out to evaluate the mechanical properties of the laminates. The tension and in-plane compression tests had shown that the composites with the combination of Kevlar and basalt yarns present better tensile and in-plane compressive behavior as compared to their base composites. Improvement in the properties such as elastic modulus, strength and failure strain in both tension and in-plane compression was observed due to the hybridization. Numerical simulations were performed in ABAQUS/Standard by implementing a user-defined material subroutine (VUMAT) based on Chang-Chang criteria. Good agreement between the experimental and numerical simulations was achieved in terms of damage patterns.     

高强高模聚酰亚胺纤维/环氧树脂复合材料力学性能与破坏机制

以高强高模聚酰亚胺（PI）纤维为增强体,以航空级环氧树脂（EP）为基体,通过热熔法制备预浸料并采用热压罐成型技术制备了PI/EP复合材料层合板,对其力学性能和破坏形貌进行了分析。结果表明:高强高模PI纤维与EP具有良好的界面结合力,PI/EP复合材料的层间剪切强度为65.2 MPa,面内剪切强度为68.6 MPa;良好的界面结合状态能充分发挥PI纤维优异的力学性能,PI/EP复合材料的纵向拉伸强度达1 835 MPa,弯曲强度为834 MPa;PI/EP复合材料纵向拉伸破坏模式为散丝爆炸破坏,同时由于高强高模PI纤维还具有优异的韧性和较高的断裂伸长率,PI/EP复合材料从受力到失效断裂的时间较长;PI/EP复合材料纵向压缩破坏模式为45°折曲带破坏。高强高模PI/EP复合材料为航空航天先进复合材料增加了一个全新的选材方案。      

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.     

复合材料微细杆增强复合材料研究进展

纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强的特点,但复合材料层合板层间韧性和抗冲击性能差,复合材料微细杆(Z-pin)增强技术极大地改善了这一不足,被广泛应用于各工业制造领域。近年来,Z-pin增强复合材料的制备工艺不断发展,目前主要有热压罐法和超声植入法(UAZ)。Z-pin增强复合材料的层间增韧和抗冲击性能提高效果显著,但其面内拉伸性能、面内压缩性能和疲劳性能稍有下降。文中从Z-pin增强复合材料的性能特点出发,针对其层间韧性、抗冲击性、面内力学性能和疲劳性能进行了综述。指出Z-pin在Ⅰ型断裂模式、Ⅱ型断裂模式和混合断裂模式下的增韧机制;总结了Z-pin在提高复合材料低能量冲击后剩余压缩性能方面的作用;介绍了Z-pin增强复合材料在平面拉伸和压缩载荷下的破坏模式,从纤维损伤角度归纳了其面内拉伸及压缩性能下降的原因;总结了Z-pin增强复合材料在循环压缩载荷下的破坏模式。最后从材料体系和工艺优化两方面出发,为降低纤维损伤提供了建议。对Z-pin增强技术的进一步应用进行了展望。     

低密度纤维增强纳米孔树脂基复合材料的断裂机制

纤维增强纳米孔树脂基复合材料(IPC)是一类轻质高效防隔热一体化耐烧蚀材料,具有典型的非均质结构特征。在外加载荷下,内部的纳米孔隙将会衍生出微裂纹。裂纹的萌生、聚合和扩展对复合材料的强度、刚度、变形性等力学性能有着重要的影响。本文分别以石英纤维针刺网胎(NQF)、石英纤维针刺网胎/纤维布(NQCF)为增强体,制备得到不同纤维结构增强的纳米孔酚醛树脂(NPR)基复合材料(NQF/NPR、NQCF/NPR),对比研究了材料拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率及拉伸疲劳性能,并采用CT原位拉伸装置表征了拉伸过程中复合材料的微观结构演变。结果表明：纤维布的引入极大提高了复合材料的力学性能,并且微裂纹首先在针刺区域边缘的树脂基体中出现。在裂纹扩展过程中,纤维结构对树脂基体的损伤起到了不同程度的阻碍作用。最后结合有限元法建立了NPR及纤维布的有限元模型,分析了不同尺度下材料的断裂机制。     

玻璃纤维-不锈钢网混杂增强环氧树脂层合板对球形弹斜冲击响应特性实验研究

为了研究玻璃纤维-不锈钢网混杂增强环氧树脂层合板在球形弹高速斜冲击下的损伤特性,利用一级气炮对2 mm厚度的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料层合板和含一层、三层304不锈钢网的玻璃纤维-不锈钢网混杂增强环氧树脂层合板进行倾角为30°的冲击实验,以揭示304不锈钢网对层合板弹道极限和能量吸收的影响规律,并分析层合板损伤特征及其机理。通过实验发现,含有三层不锈钢网层合板的弹道极限最高,而不含不锈钢网层合板和含一层不锈钢网层合板的弹道极限速度接近。层合板吸收的能量随着弹体速度增加呈现出先增加后趋于平稳,然后急剧上升的趋势。层合板损伤模式为基体开裂和破碎、分层、不锈钢丝拉伸断裂、纤维拉伸断裂和剪切断裂。层合板分层损伤面积随弹体速度增大先增大后减小,最后趋于稳定。当弹体速度较低时,层合板主要发生纤维拉伸断裂、基体开裂、层间有分层损伤产生。随着弹体速度的增大,层合板正面纤维逐渐发生压剪断裂、基体破碎,背面纤维发生严重的拉伸撕裂。      

UD75防弹板工艺参数与弹道性能的初步研究

分析了不同温度对组成Dyneema纤维增强复合材料的超高分子量聚乙烯纤维丝束拉伸强度的影响。并对UD75防弹复合材料在不同成型压力下的弹道吸能进行了研究。在对成型压力影响的研究中,对UD75复合材料的层间结合力、厚度和体密度进行了分析。结果表明,温度超过123 ℃后拉伸强度有大幅的下降,而成型压力为12.5 MPa时达到最大值。其研究结果对防弹复合材料的合理制备和优化设计提供了很好的参考依据。      

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。