玄武岩纤维丝束强度的 Weibull 和G auss分布统计分析

通过假设检验验证了Weibull及Gauss分布模型对玄武岩纤维丝束强度统计分析的适用性,并用2种分布模型对BF-CSH-01、BF-CMD-02和BF-CAH-01 等3种纤维不同长度丝束的拉伸强度分布进行了统计分析。当纤维种类和试样长度变化时,采用2种模型统计的丝束强度的变化规律一致,即3种纤维中BF-CSH-01强度最高,BF-CMD-02的强度分散性最小;同种纤维中,随着试样长度的增加,丝束强度下降,强度分散性减小。2种分布模型相比,采用Weibull 模型计算的丝束强度略高于 Gauss模型,但强度分散性稍大。      

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。     

酸刻蚀对玄武岩纤维表面偶联剂吸附量及纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响

纤维与树脂的复合需要有一个良好的界面相,以便能将载荷从基体有效地传递给增强纤维,纤维表面改性处理是达到这一要求的主要方法。采用盐酸刻蚀法对玄武岩纤维（BF）表面进行处理,讨论了酸刻蚀对纤维单丝拉伸性能、表面硅烷偶联剂吸附量的影响以及盐酸浓度对BF/环氧树脂复合材料力学性能的影响。结果表明：纤维的单丝拉伸强度随着盐酸浓度的升高呈加速下降趋势;1 mol/L盐酸处理后的纤维表面对硅烷偶联剂KH550的吸附量最大;1 mol/L盐酸刻蚀后再经硅烷偶联剂KH550处理的纤维制成的BF-KH550/环氧树脂复合材料的弯曲性能、拉伸性能和层间剪切强度最优。     

玄武岩-碳纳米纤维增强聚合物复合材料的制备及力学性能研究

以玄武岩纤维(BF)和纳米碳纤维(CNF)为增强相制备了玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)复合材料和玄武岩-碳纳米纤维增强聚合物(BF-CNFRP)复合材料。利用万能试验机、扫描电子显微镜研究了复合材料的拉伸、弯曲、冲击等力学性能和断口形貌。结果表明,加入0.5%(质量分数)CNF的BF-CNFRP复合材料,在拉伸实验中具有更强的拉伸强度,拉伸强度增加了约20%;在弯曲试验中具有更好的残余抗折强度和弯曲性能,当温度高于50℃时,抗弯强度提高了13%～15%;在冲击试验中表现出更好的能量吸收和变形性能,抗冲击强度提高了8%～17%。对复合材料断裂界面进行SEM观察,探讨了BFRP和BF-CNFRP复合材料界面处的作用机理,为BF-CNFRP复合材料力学性能的提高提供了理论支持。     

混杂比对碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料弯曲性能的影响

将玄武岩纤维置于混杂铺层的压缩侧,研究了碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料的弯曲性能及混杂比对其弯曲性能的影响。通过对试样进行三点弯曲试验得到了材料的弯曲性能,并通过扫描电子显微镜观察材料的失效模式。与纯碳纤维增强环氧树脂基复合材料相比,当混杂比为16.7%和33.3%时,混杂复合材料的弯曲强度明显提升,弯曲强度分别提高12.4%和15.2%,但是其弯曲模量随着混杂比的提升而降低。混杂后的材料及玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料的失效位移都高于碳纤维增强环氧树脂基复合材料,断裂韧性明显提升。从侧面观察可以发现不同铺层在压缩侧、拉伸侧和中间层有不同的失效形式。      

织物结构对玄武岩织物/环氧树脂复合材料力学性能的影响

采用三种不同结构玄武岩织物(单向/平纹/2.5维),通过树脂传递模塑成型工艺(RTM)制备了玄武岩织物增强环氧树脂复合材料。通过拉伸和弯曲试验,研究了织物结构对复合材料力学性能的影响,探讨了不同织物结构玄武岩织物增强环氧树脂复合材料的损伤破坏机制。结果表明:织物结构形式对复合材料的力学性能有较大影响,单向玄武岩织物复合材料的拉伸性能最好,试样的拉伸断口相对齐平,分层现象不明显;2.5维玄武岩织物复合材料弯曲性能最好,且纬向弯曲性能优于经向。2.5维织物增强复合材料的结构整体性较好,受到拉伸和弯曲载荷不会产生分层破坏。根据扫描电子显微镜(SEM)断面分析可以判定,玄武岩织物/环氧树脂复合材料拉伸和弯曲加载过程中的损伤类型主要为织物中纤维的断裂及纤维-树脂的界面脱粘。     

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.     

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.     

国产800级碳纤维表面状态及其复合材料界面性能EI北大核心CSCD

通过扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）、复丝拉伸法、单丝拉伸法及单丝断裂法对3种国产800-12K碳纤维表面状态及其复丝拉伸性能、单丝复合体系的界面性能进行系统分析与研究。结果表明：3种国产800级碳纤维表面均较为光滑,纤维的粗糙度为9-17nm,纤维表面含氧量较高且稳定,O/C在0.23~0.27之间;3种国产800级碳纤维复丝拉伸强度相当,质量控制稳定,断裂伸长率为1.9左右,纤维与树脂基体匹配性较好;3种国产800级碳纤维单丝拉伸强度不稳定,纤维的表面化学活性对纤维与树脂基体的界面结合强度影响显著。     

高温处理对几种玄武岩纤维成分和拉伸性能的影响

选取5种国产玄武岩纤维,采用X射线荧光光谱法和纤维单丝拉伸测试等方法,研究200~800℃空气气氛和氮气气氛处理前后纤维的化学成分、物理特性和拉伸性能等变化,以揭示玄武岩纤维的耐高温性能。结果表明:空气气氛下高温处理后由于表面处理剂的去除,玄武岩纤维表面更加光滑,直径略微变小,同时质量减少;SiO_2,Al_2O_3质量分数减小,而FeO+Fe_2O_3,CaO,MgO质量分数都增大,其中FeO+Fe_2O_3的质量分数增加最多,增幅最大达到21%。200℃处理后玄武岩纤维单丝拉伸强度有一定降低,强度保留率最大为98.3%,400℃处理后强度明显下降,强度保留率最高达到64.6%,800℃处理后强度保留率均不足20%。此外,纤维断裂伸长率随温度的升高而减小,弹性模量增大。与空气气氛相比,氮气气氛下纤维强度保留率更高,拉伸性能更稳定。     

玄武岩纤维和玻璃纤维的耐碱性及其网格布对混凝土双向板弯曲性能的影响

为了研究玄武岩纤维网格布和玻璃纤维网格布的耐碱腐蚀性及其对混凝土方板双向受弯性能的影响,进行了玄武岩纤维和高锆玻璃纤维的耐碱试验和其网格布增强混凝土双向板的弯曲性能试验。借鉴欧洲EFNARC标准,利用四边简支方板试验,对比分析了不同纤维网格布对混凝土方板的双向增强效应。结果表明,与玄武岩纤维相比,高锆玻璃纤维的耐碱腐蚀性更好。纤维网格布较高的双向受拉性能可改善混凝土双向板的内力和应力重分布能力,玄武岩纤维网格布和高锆玻璃纤维网格布使水泥双向板的受弯承载力分别提高了48%和59%,高锆玻璃纤维的双向增强作用优于玄武岩纤维。      

The effect of fibre content on the mechanical properties of hemp and basalt fibre reinforced phenol formaldehyde composites

In this study, mechanical properties such as tensile, flexural and impact strengths of hemp/phenol formaldehyde (PF), basalt/PF and hemp/basalt hybrid PF composites have been investigated as a function of fibre loading. Hemp fibre reinforced PF composites and basalt fibre reinforced composites were fabricated with varying fibre loading i.e. 20, 32, 40, 48, 56 and 63 vol%. The hybrid effect of hemp fibre and basalt fibre on the tensile, flexural and impact strengths was also investigated for various ratio of hemp/basalt fibre loading such as 1:0, 0.95:0.05, 0.82:0.18, 0.68:0.32, 0.52:0.48, 0.35:0.65, 0.18:0.82 and 0:1. Total fibre loading of the hybrid composites was 40 vol%. The results showed that the tensile strength and elongation at break increase with increasing fibre loading up to 40 vol% and decrease above this value for hemp fibre reinforced PF composite. Similar trend was observed for flexural strength and the maximum value was obtained for 48 vol% hemp fibre loading. Impact strength of hemp/PF composite showed a regular trend of increase with increasing fibre loading up to 63 vol%. Tensile strength, flexural strength and impact strength values of basalt/PF composites were found to be lower compared to hemp/PF composites. The tensile strength and elongation at break of basalt/PF composite increased by incorparation of basalt fibre up to 32 vol% and decreased beyond this value. Flexural strength of basalt/PF composite decreased linearly with fibre loading. However, the maximum impact strength was obtained for 48 vol% basalt fibre loading. For hemp/basalt hybrid PF composite, the tensile strength decreased with increasing basalt fibre loading. On the other hand, the flexural and impact strengths showed large scatter. The maximum flexural strength value was obtained for 0.52:0.48 hemp/basalt ratio. Corresponding value for impact strength was obtained for 0.68:0.32 hemp/basalt fibre ratio.     

CaCl1和多巴胺处理对芳纶纤维表面结构与性能的影响

采用氯化钙(CaCl2)乙醇溶液和多巴胺水溶液浸渍法对芳纶纤维表面进行改性处理,对改性后芳纶纤维表面的化学结构、微观形貌、表面粗糙度、单丝拉伸强度和芳纶纤维/环氧树脂复合材料的界面性能等进行了测试分析.结果表明,采用CaCl2乙醇溶液处理芳纶纤维后,芳纶纤维表面有刻蚀出的沟槽,表面粗糙度增大,芳纶纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度明显提高,同时由于纤维结构受到破坏,单丝拉伸强度下降了11.12％;采用多巴胺水溶液处理时,芳纶纤维表面沉积了聚多巴胺涂层,表面粗糙度增大,芳纶纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度进一步提高,纤维结构几乎不受影响,单丝拉伸强度降幅较小;采用CaCl2乙醇溶液和多巴胺水溶液先后处理芳纶纤维后,纤维表面的聚多巴胺涂层更致密,复合材料的层间剪切强度达到最大值,同时改性后的纤维具有一定的抗紫外性能,此方法改性效果最优.     

微胶囊-玄武岩纤维/水泥复合材料的力学性能

以水泥、玄武岩纤维和脲醛/环氧树脂微胶囊为主要材料,制备水泥基复合材料标准试样,研究纤维掺量、纤维长度、微胶囊质量分数、水灰质量比和养护龄期对复合材料抗折强度和抗压强度的影响,利用正交实验确定微胶囊-玄武岩纤维/水泥自修复复合材料力学性能的最优配比。实验结果表明：抗折强度随着纤维掺量的增加而增加,抗压强度随着纤维掺量增加而减小;随着纤维长度的增加,抗折强度略有增加,抗压强度略有降低;抗折强度随着微胶囊质量分数的增加呈现出先增加后减小的趋势,而抗压强度则呈现下降趋势;抗折强度与抗压强度随养护龄期的增加而呈增加的趋势;材料经损伤后修复,抗折强度修复率为117%,恢复率为103%,抗压强度修复率为71%,恢复率为97%。     

不饱和聚酯/热塑性聚氨酯/甘蔗纤维复合材料的结构与性能

研究了NaOH和丙烯酸改性甘蔗纤维与热塑性聚氨酯(TPU)对不饱和聚酯(UPR)/TPU/甘蔗纤维复合材料力学性能的影响.采用热重分析(TGA)方法进行表征,用扫描电镜观察了复合材料冲击断面的形貌,并测试了复合材料的力学性能.结果表明,加入适量改性甘蔗纤维提高了UPR复合材料的拉伸强度、弯曲强度和热稳定性,但降低了冲击...     

玄武岩短纤维-芳纶浆粕/氯丁橡胶复合材料的制备与性能

以氯丁橡胶（CR）为基体,改性玄武岩短纤维（BSF）和芳纶浆粕（AP）作为增强相,制备了高强度、高模量的BSF-AP/CR复合材料,系统地研究了BSF和AP对BSF-AP/CR复合材料基本物理性能、动态力学性能和动刚度的影响。采用超声波辅助γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）对BSF进行了改性,通过FTIR测试显示KH550与BSF表面基团发生了反应。通过SEM观察发现,改性BSF与CR界面相容性较好,易于分散和取向,而AP锚固在CR基体中,取向度不如BSF高;随着BSF与AP质量比值减小,BSF-AP/CR复合材料的拉伸强度、拉断伸长率和屈挠性能降低,耐撕裂性能和耐磨性能变好。采用弹性体材料测试系统（MTS）测试复合材料的动刚度。结果表明,BSF与AP质量比越小,BSF-AP/CR复合材料的动刚度越大,说明AP对BSF-AP/CR复合材料动刚度贡献大。动态力学性能显示,AP用量越多,BSF-AP/CR复合材料的储能模量（G'）越高,Payne效应越明显,而阻尼因子越小,说明AP有良好的模量-滞后平衡效应。当BSF与AP质量比为10:10时,BSF-AP/CR复合材料的综合性能较好。      

Meso-Scale Progressive Damage Behavior Characterization of Triaxial Braided Composites under Quasi-Static Tensile Load

Based on continuum damage mechanics (CDM), a sophisticated 3D meso-scale finite element (FE) model is proposed to characterize the progressive damage behavior of 2D Triaxial Braided Composites (2DTBC) with 60° braiding angle under quasi-static tensile load. The modified Von Mises strength criterion and 3D Hashin failure criterion are used to predict the damage initiation of the pure matrix and fiber tows. A combining interface damage and friction constitutive model is applied to predict the interface damage behavior. Murakami-Ohno stiffness degradation scheme is employed to predict the damage evolution process of each constituent. Coupling with the ordinary and translational symmetry boundary conditions, the tensile elastic response including tensile strength and failure strain of 2DTBC are in good agreement with the available experiment data. The numerical results show that the main failure modes of the composites under axial tensile load are pure matrix cracking, fiber and matrix tension failure in bias fiber tows, matrix tension failure in axial fiber tows and interface debonding; the main failure modes of the composites subjected to transverse tensile load are free-edge effect, matrix tension failure in bias fiber tows and interface debonding.